Fission Superstar X — это ролевой экшен-сайдскроллер, в котором игроку предстоит управлять мощным бомбардировщиком, путешествующим между планетами. Самолёт оснащён различным оружием, включая крупнокалиберные орудия и оружие ближнего боя. Энергетический щит защищает самолёт от повреждений, но имеет ограниченное количество зарядов.
В игре используются ролевые механики: на борту самолёта находятся члены экипажа, отвечающие за различные модули. Игроку приходится быстро принимать решения, например, чинить крыло, спасать пулемётчика, тушить пожар или вести огонь по противникам.
Между миссиями игрок выбирает команду из 100 персонажей и может модифицировать и настраивать внешний вид своего корабля. Враги разнообразны: в одиночной кампании представлено более 70 типов вражеских юнитов с разным вооружением и поведением. Также присутствуют боссы на каждом из 8 этапов, созданных с помощью процедурной генерации.