Call of Duty: Modern Warfare 3 kontynuuje wydarzenia z Call of Duty: Modern Warfare 2. Akcja gry rozgrywa się w przyszłości, kiedy na skutek wydarzeń przedstawionych w poprzednich odsłonach gry na świecie wybucha III wojna światowa. Grę podzielono na 15 misji. Gracz będzie poruszać się na terenie takich państw jak: Indie, Stany Zjednoczone, Wielka Brytania, Somalia, Niemcy, Francja, Czechy i Zjednoczone Emiraty Arabskie. Historia opowiedziana zostanie z różnych perspektyw, gracz wcieli się w rolę: czołgisty, pilota samolotu AC-130, żołnierza oddziału SAS i agenta Służby Ochrony Federacji Rosyjskiej (FOS). W grze pojawiają się postacie z poprzednich części serii oraz postacie dotąd nie występujące. W grze wykorzystany został silnik IW 4.0.
Call of Duty: Modern Warfare 3 zawiera również rozbudowany tryb rozgrywki dla wielu graczy. Wraz z premierą gry uruchomiona zostanie usługa Call of Duty ELITE, dzięki której wszyscy gracze będą mieć możliwość analizowania swoich statystyk, prowadzenia między sobą rozmów, brania udziału w nowych wyzwaniach oraz pobierania już wydanych i nadchodzących zestawów DLC.