Fallout 3 é um RPG em primeira pessoa (o jogador vê o mundo pelos olhos do protagonista), com todas as características que distinguem esse gênero. Entre elas: boa customização inicial do personagem, sistema de experiência e evolução do personsagem, armas e armaduras, NPCs, quests e etc. Há opção de jogar-se em terceira pessoa (o jogador vê o personagem).

A definição do personagem é feita baseada em atributos (sistema S.P.E.C.I.A.L., com os atributos 'Strength' ou força, 'Perception' ou percepção, 'Endurance' ou resistência, 'Charisma' ou carisma, 'Inteligence' ou inteligência, 'Agility' ou agilidade e 'Luck' ou sorte), perícias (ou 'Skills', são 13 no total) e vantagens (ou 'Perks', 58 no total), permitindo um alto grau de personalização na construção do personagem.

O combate tem dois métodos de funcionamento: um é simplesmente "point & shoot" ("aponte e dispare", como num FPS, mas com resultado baseado nos atributos, perícias e vantagens) e outro é chamado V.A.T.S. (Vault-tech Assisted Targerting Sistem), no qual o jogo é pausado e o jogador tem a liberdade de escolher com calma qual arma utilizar bem como qual parte do corpo do inimigo deseja atingir (novamente, o resultado final é baseado nos atributos, perícias e vantagens do personagem).

O jogo usa o conceito "open world" (mundo aberto), com pouca linearidade e muita liberdade de exploração. Esse sentimento de liberdade é inclusive incentivado no próprio manual do jogo, que diz: "...o jogo é seu, então jogue-o da maneira que você quiser. Não há uma maneira "correta" de jogar".Apesar do jogo facilitar as coisas para o jogador se ele optar por um caminho moralmente correto como fornecendo companheiros mais forte dentre outras coisas.

O jogo também conta com diversos finais,que depende de quais decisões morais o jogador tomou durante certas situações.

O cenário de Fallout 3, "Wasteland", é retratado com toda vividez que um mundo pós-apocalíptico pode ter. Os desenvolvedores conseguiram, principalmente através da iluminação, transmitir ao jogador a sensação de aridez e contaminação radiotiva, provocando uma grande sensação de imersão do jogador no mundo do jogo. Outro fator que contribui para esta sensação de imersão é a moral pós-apocalíptica anômica transparecida nos diálogos com os NPCs.

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