Cave Story 3D è un gioco d'azione e avventura a scorrimento ispirato dall'originale titolo in 2D. Ora in un mondo completamente 3D, il collaudato sistema d'azione ed esplorazione in 2D diventa incredibilmente stereoscopico. Vi sveglierete in una caverna senza ricordare chi siete né da dove venite, l'unica cosa che sapete è che dovete aiutare delle graziose creature simili a conigli a liberarsi di alcuni vecchi e scontrosi dottori.

Mentre avanzerete nel gioco, scoprirete l'origine del mondo di Mimiga e anche chi siete voi in realtà. Come l'acclamata versione 2D, Cave Story 3D è una combinazione di sezioni action ad alta velocità in stile platform, esplorazione, puzzle solving e con una trama profonda.