DOOM 64 pakt het verhaal op waar alle andere DOOM-games zijn gebleven. Na door de ruimte, de hel en waar dan ook te zijn gefloten in de vorige games, dacht de Space Marine dat de dreiging van de demonen eindelijk voorbij was. Natuurlijk heeft er één overleefd, en die is momenteel bezig alle gevallen monsters te reanimeren in een laatste poging om hun kwaadaardige missie nieuw leven in te blazen. De taak van de speler is om eindelijk het universum te bevrijden van alle gekke helemonnen, van de dode man met het pistool tot de raketspuwende Cyberdemon.
Het spel is heel anders dan het originele DOOM; het heeft volledig nieuwe sprites voor de monsters, nieuwe texturen, pseudo-3D-effecten (zoals bruggen), gekleurde verlichting, scrollende luchten en aangepaste scripting waarmee effecten zoals het morphen van omgevingen en het spawnen van items mogelijk zijn. De levels zijn helemaal nieuw. Er zijn in totaal 32 levels, waaronder verschillende uitdagende “fun levels” die niet in het normale spel toegankelijk zijn.
De vijandelijke selectie lijkt op die van Doom II. Hoewel verschillende vijanden uit Doom II niet zijn opgenomen, is er een nieuw monster toegevoegd: de “nightmare imp”, die twee keer zo snel beweegt en aanvalt als een gewone imp. De eindbaas van het spel is ook nieuw. Het spel bevat een nieuw wapen, de Unmaker, dat kan worden geüpgraded met “demon keys” die je in geheime levels vindt.
De sfeer van het spel is zelfs somberder dan in de originele Doom-games, mede dankzij de nieuwe soundtrack: in plaats van rockende metalnummers bestaat de muziek uit griezelige omgevingsgeluiden en drones.



