Atelier Shallie: Alchemists of the Dusk Sea is het zestiende spel in de Atelier- serie en het derde spel in de Dusk- subserie, die minder de nadruk legt op het tijdmanagement waar de serie om bekend staat. Het spel speelt zich zes jaar na het begin van Atelier Escha & Logy: Alchemists of the Dusk Sky en tien jaar na het begin van Atelier Ayesha: The Alchemist of Dusk af . De Dusk- subserie speelt zich af na het tragische einde van het Tijdperk van de Alchemie. De wereld droogt op, zeeën veranderen in woestijnen en monsters lopen vrij rond. Twee zeer verschillende alchemisten, Shallistera (Shallie) en Shallotte Elminus (ook Shallie), ontmoeten elkaar in een oasestadje waar de waterbronnen opdrogen. Shallotte probeert de eindjes aan elkaar te knopen om haar moeder te onderhouden en alchemist te worden, terwijl Shallistera zich richt op het redden van het dorp. De speler kiest een van de twee alchemisten en in tegenstelling tot de vorige Atelier- games met twee helden, beleven ze elk een ander avontuur. De eerste keuze heeft een duidelijke invloed op het verhaal, ook al ontmoeten ze elkaar uiteindelijk, moeten ze samenwerken en bouwen ze een band op.
De tijdmanagementelementen uit de hoofdserie zijn vervangen door levenstaken, een aantal missies en opdrachten vergelijkbaar met het prikbord in Atelier Escha & Logy: Alchemists of the Dusk Sky . Het verhaal is opgedeeld in verschillende hoofdstukken waarin specifieke taken moeten worden voltooid voor de Stellade-koopmansvereniging. Nadat deze zijn voltooid, kan de omgeving vrij worden verkend om voorwerpen te verzamelen en grondstoffen te oogsten voor het mengen, om zo de belangrijkste alchemiedoelen na te streven en itemeigenschappen, bonussen, verbeterde statistieken en ervaringsbonussen te verkrijgen. De taken zijn ook de belangrijkste manier om algemene ervaring op te doen, in plaats van via gevechten. De personages hebben verschillende vaardigheden die leiden tot specifieke taken. Shalotte vangt vis of maakt kamers schoon, terwijl Shallistera verborgen voorwerpen kan ontdekken. Beide personages kunnen naar grondstoffen mijnen. De taken variëren afhankelijk van het gekozen personage en veranderen op basis van de speelstijl. Spelers die zich bijvoorbeeld richten op gevechten, krijgen vaker gevechtsgerelateerde taken. De omgeving verandert ook dynamisch tijdens de verkenning op basis van de levenstaken.
Voorwerpen worden gemaakt met behulp van blauwdrukken en ingrediënten, en voorwerpen kunnen ook worden gecombineerd tot nieuwe voorwerpen. Naast het selecteren van de ingrediënten kan de volgorde worden bepaald, wat van invloed is. Later in het spel kunnen bepaalde vaardigheden ook in deze stap worden gebruikt. Op een bepaald niveau krijg je toegang tot Ketting. Deze beïnvloedt het effect van vaardigheden en kan worden opgebouwd door vaardigheden van dezelfde elementen te gebruiken. Ketting kan ook worden gebruikt tijdens het maken van voorwerpen, wat kan leiden tot extra effecten. Hetzelfde proces wordt ook gebruikt om wapens en bepantsering te maken, maar dit wordt gedaan door het personage Miruca, aangezien de Shallies dit niet kunnen.
Net als in de vorige games wordt er gebruikgemaakt van een turn-based vechtsysteem met een team van maximaal zes personages. Naast de twee Shallies zijn er zes extra personages, waarvan er twee alleen via DLC beschikbaar zijn. Sommige elementen van de gevechten zijn vereenvoudigd; zo is het constant wisselen van positie niet langer een onderdeel en worden ondersteunende aanvallen pas later in het spel geïntroduceerd. Door opeenvolgende aanvallen vult een Burst-meter zich, waarmee een Burst-modus kan worden geactiveerd. In deze modus kunnen speciale vaardigheden worden gebruikt, samen met effectboosts via de Chain.



