Marvel Cosmic Invasion es un beat 'em up de desplazamiento lateral al estilo arcade y con gráficos estilo pixel art. Su historia tiene como antagonista al inmortal supervillano Annihilus, que tras lanzar un ataque sin precedentes por toda la galaxia ha puesto la vida tal y como la conocemos entre la espada y la pared. Para detener la Ola de Aniquilación, los superhéroes de la Tierra y los del espacio deben unir sus fuerzas y participar de una aventura que los llevará a luchar por las calles de Nueva York hasta llegar a las profundidades de la Zona Negativa.
Además de Annihilus, la campaña presenta otros villanos como Thanos, M.O.D.O.K y Taskmaster.
El plantel de Marvel Cosmic Invasion está compuesto por 15 héroes jugables. Los jugadores deben elegir y controlar un equipo de dos personajes mientras van intercambiándose en mitad del combate cuando sea necesario mediante Cosmic Swap, un sistema que permite aprovechar los distintos superpoderes y ataques especiales para crear alianzas únicas y provocar una gran cantidad de daño. El juego invita a la experimentación debido a que los diferentes dúos desbloquean potenciadores y recompensas. Además, el título cuenta con funciones de accesibilidad y un modo cooperativo local y online para cuatro jugadores con crossplay.
Los superhéroes disponibles en Marvel Cosmic Invasion son los siguientes: Capitán América, Hulka, Rocket, Lobezno, Spider-Man, Tormenta, Phyla-Vell, Venom, Nova, Pantera Negra, Beta Ray Bill, Motorista Fantasma Cósmico, Estela Plateada, Phoenix y Iron Man. "Las habilidades de cada personaje fomentan la aparición de equipos creativos y un enfoque más táctico de la acción", asegura Dotemu. Una vez superada la campaña "apta para jugadores de todas las edades y niveles de habilidad", se puede subir la apuesta con el modo Arcade, que ofrece un mayor desafío gracias a los modificadores desbloqueables.