В вымышленном мире будущего печально известной суперзлодей Доктор Lacroix схем захватить мировое господство со своей армией роботов. Вы взять на себя роль Никки и пытаются пересечь эти злые планы от имени тайной организации. Ваши поиски будет у вас в различные места: от футуристических мегаполисов подводных объектов, плавучие острова, и даже, насколько орбитального пространства.

Cave Story представляет собой классический двухмерный нелинейный платформер и похожа по игровому процессу на такие игры как Metroid (Nintendo) и Castlevania (Konami). Значительную часть игрового процесса занимает стрельба и прыжки по платформам, но также большое внимание уделяется квестовому элементу: выполнению различных заданий, сбору компонентов, необходимых для продвижения в игре и т. д.