Cave Story 3D è un gioco dazione e avventura a scorrimento ispirato dalloriginale titolo in 2D. Ora in un mondo completamente 3D, il collaudato sistema dazione ed esplorazione in 2D diventa incredibilmente stereoscopico. Vi sveglierete in una caverna senza ricordare chi siete né da dove venite, lunica 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 lorigine del mondo di Mimiga e anche chi siete voi in realtà. Come lacclamata 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.