Waking Mars отправляет игроков в недалёкое будущее, где на дворе 2097 год. Человечество обнаружило жизнь на Марсе и пытается установить первый контакт с инопланетянами. Во время одной из миссий главный герой, доктор Лиан, оказывается замурованным под землёй. Теперь ему нужно выбраться на поверхность.
Протагонист — астроботаник, которого зовут доктор Лиан. Он общается с девушкой-оператором Амари и искусственным интеллектом ART. В Waking Mars герой исследует сеть подземных пещер с помощью реактивного ранца, изучает местную флору, называемую Зоа, и ищет марсоход.
Игра представляет собой научно-фантастический платформер с головоломками и элементами фермы. Доктор Лиан может собирать семена и сажать их в определённых местах. Плоды инопланетян обеспечивают почву влагой, восстанавливают здоровье героя, очищают поверхности, помогают преодолевать препятствия и так далее. Однако неправильное использование ресурсов может привести к вымиранию видов.
Геймплей основан на выращивании растений. В игре нет стрельбы, а локации закрыты. Часто герою приходится ждать, пока он не создаст правильную экосистему на определённой территории, чтобы продвинуться дальше.