Действие игры разворачивается сразу после событий Metro: Last Light. Главный герой с группой выживших ордена «Спарта» отправляется в путешествие на бронированном поезде «Аврора» далеко на восток, чтобы найти новое место для жизни в постапокалиптической России.
Игроку предстоит защищать пассажиров поезда от нападений мутантов и разбойников, искать припасы и новое место для поселения. Разработчики добавили в игру просторные локации для исследования, расширенный арсенал, цикл смены дня и ночи, динамическую систему погоды и смену сезонов времен года по мере продвижения по сюжету.
В игре нет полноценного открытого мира, но игроки получают гораздо больше свободы, чем раньше. В процессе прохождения линейные уровни сменяются открытыми и нелинейными, перемещение между которыми осуществляется на упомянутом поезде. Классический геймплей серии получает, таким образом, элементы песочницы и выживания.