Serious Sam Double D XXL переносит легендарный шутер в стилистику двухмерного сайд-скроллера. Основной фишкой игры выступает возможность нацепить оружие друг на друга, чтобы стать грозой армии Ментала. Эта фича называется "Оружейник" и она в прямом смысле позволяет вести огонь одновременно со всех пушек.

Геймплей заточен под кооператив. Второй игрок возьмет под управление парня по имени Хафф. Напарник может в любой момент по нажатию одной кнопки как зайти, так и выйти из игры.Все стволы прокачиваются по двум параметрам. модернизация патронов и кастомизация, меняющая свойства пушки. Например, дробовик может быть улучшен до состояния кибернетической пчелы.

Появились новые враги, такие как Torcher Kitty или Безголовый Ракетчик, но большую часть времени Серьезный Сэм будет умерщвлять знакомых Гнааров, Биомеханоидов, Шимпутаторов и Вувузелаторов. Игра поделена на три главы: Египет, Новая Шотландия и Помпеи. По окончанию каждой ожидает сражение с боссом. Иногда могут встретиться и стейдж-боссы. На уровнях встречаются несложные головоломки, но заставляющие поломать голову и поискать решение.

Но вишенкой на торте выступает устройство Gunstacker. С его помощью игрок волен скомбинировать в одну убер-пушку шесть видов стволов и вести огонь сразу со всех орудий. Соединять оружие можно в любой комбинации и последовательности - на что хватит фантазии. Дополнительно действует система "золотого оружия", выпадающие после победы над боссом. Игра содержит 4 режима: Кампания, Кооператив, Испытания и Противоборство.