В игре используется игровой движок X-Ray. Графический движок в качестве API может использовать как DirectX 8.1, так и DirectX 9 с использованием Shader Model 3.0. Движок поддерживает рендеринг до одного миллиона полигонов на кадр. Особенности X-Ray: рендеринг в расширенном динамическом диапазоне (HDR), параллакс- и нормалмаппинг, мягкие тени (англ. soft shadows), эффект размытия изображения (англ. motion blur), поддержка широкоэкранных дисплеев, погодные эффекты и циклы смены дня и ночи (англ. day/night cycles). Как и другие движки, которые используют технологию отложенного затенения (англ. deferred shading), X-Ray не поддерживает совместное использование полноэкранного сглаживания и динамического освещения. В драйверах nVidia ForceWare 169.xx и более поздних есть возможность принудительно включить полноэкранное сглаживание, которое оказывается совместимо с динамическим освещением, но при этом сильно падает производительность. Кроме того, через консольные команды или редактирование конфигурационного файла можно активировать «поддельную» форма сглаживания может работать со динамическим освещением, в этом случае изображение размывается для достижения ложного впечатления от сглаживания без падения производительности. Действие игры происходит на территории площадью 30 кв. километров (указано по давним обещаниям разработчиков, на самом деле в вышедшей игре разделена на локации довольно небольшой площади), и внешние, так как и внутренние уровни имеют одинаковое количество деталей. Некоторые текстуры в игре являются фотографическими.
Физический движок
S.T.A.L.K.E.R.: Shadow of Chernobyl использует сильно модифицированную версию физического движка Open Dynamics Engine (ODE). Движок поддерживает сотни физически интерактивных объектов на разных уровнях. Используются Физика Ragdoll, разрушаемые объекты, реалистическая баллистика пуль, скелетная анимация и некоторые другие технологии.
Физика пуль
S.T.A.L.K.E.R. использует реалистичную физику пуль (англ. bullet physics), подобную той, что использовалась в играх Tom Clancy's Ghost Recon Advanced Warfighter и Operation Flashpoint. Пули подвержены силе тяжести, рикошетят от наклонных поверхностей под наклонными углами. Ручное огнестрельное оружие имеет малую кучность при стрельбе без прицела. Чтобы попасть в цель, находящуюся на средних или дальних расстояниях, игрок должен использовать несъёмные прицельные приспособления (англ. iron sights) или навесные оптические прицелы.
Искусственный интеллект
Движок X-Ray использует проприетарную и эксклюзивную систему искусственного интеллекта, названную A-Life (Artificial Life — Искусственная Жизнь). A-Life поддерживает больше тысячи персонажей, населяющих Зону. Персонажи не являются заскриптованными, и это значит, что искусственная жизнь может развиваться сама по себе, без участия и контакта протагониста.
В NPC присутствует полный жизненный цикл (выполнение заданий, бой, отдых, питание и сон). Жизненный цикл присутствует и в разных монстрах (охота, нападение на Сталкеров и других монстров, отдых, еда и бездействие). Эти монстры могут перемещаться большими группами. Нескриптовая природа персонажей означает, что есть неограниченное количество случайных квестов. Например, спасение сталкеров от опасности, уничтожение сталкеров-ренегатов, защита или атака лагерей и баз сталкеров, поиск ценностей и артефактов. Персонажи путешествуют по всей Зоне так, как они считают целесообразным.
Для завершения игры можно использовать различные тактики, такие как стремительная атака (англ. rush), скрытные действия (англ. stealth) или снайперская стрельба из-за укрытий. На каждую из этих тактик NPC будут реагировать различными способами. Для достижения этого NPC заранее используют «Целенаправленное Планирование Действий» (англ. Goal-Oriented Action Planning).
Погода
Погодная система интегрирована в разные части ландшафта и предоставляет множество погодных эффектов, таких как солнечные дни, штормы и ливни. Доступное оружие, поведение искусственного интеллекта, игровая тактика и система ранжирования зависят от погоды.
Мультиплеер
Мультиплеер, как и в многих других современных играх, доступен через локальную сеть (англ. LAN) и Интернет. Поддерживается до 32 игроков. На данный момент присутствует три игровых режима: дезматч (англ. Deathmatch), командный дезматч (англ. Team Deathmatch) и Охота за артефактами (англ. Artifact hunt). В игре также используется система рангов (англ. ranking system). Software Development Kit
14 мая 2007 года была выпущена бета-версия SDK для мультиплеера. Наряду с планами сформировать сильное общество модмейкеров (моддеров), GSC обещает выпуск SDK для синглплеера.
