Rozgrywka Valiant Hearts to bocznie przewijana, oparta na zagadkach gra przygodowa, której akcja rozgrywa się podczas I wojny światowej. Gracz wciela się w cztery postacie: Francuza Emile’a, jego niemieckiego zięcia Karla, amerykańskiego żołnierza Freddiego oraz belgijską pielęgniarkę Annę.
Gra składa się z czterech rozdziałów podzielonych na kilka sekcji. Każda sekcja wymaga wykonania określonego zadania, aby przejść dalej w narracji. Większość zadań polega na rozwiązywaniu zagadek przez uzyskiwanie niezbędnych przedmiotów. Inne sekcje obejmują segmenty bojowe, gdzie gracz musi przetrwać intensywny ostrzał, elementy skradankowe wymagające uniknięcia wykrycia przez wrogów oraz rytmiczne sekcje pościgów samochodowych rozgrywające się przy klasycznych utworach. Każda postać może wchodzić w interakcje z obiektami, przeprowadzać ataki wręcz, by obezwładnić strażników lub rozbić gruzy, a także rzucać pociskami. Istnieją również unikalne cechy przypisane do każdej postaci.