In Tenchu: Dark Secret kruipen spelers in de huid van Rikimaru en Ayame, de legendarische shinobi van de Azuma Ninja Clan. In opdracht van Heer Gohda infiltreren ze vijandelijke vestingen om een complot rond de productie van gevaarlijke wapens te ontrafelen, vertrouwend op stealth en precieze bewegingen om niet ontdekt te worden.
De kern van de gameplay in Tenchu: Dark Secret legt de nadruk op tactische stealth boven directe gevechten. Spelers bestuderen patrouilleroutes van vijanden, gebruiken schaduwen om verborgen te blijven en voeren dodelijke slagen uit om stilletjes bewakers uit te schakelen. Een nieuw crafting-systeem stelt spelers in staat om verzamelde materialen te combineren en unieke voorwerpen te smeden, waarmee hun arsenaal voor steeds moeilijkere missies wordt uitgebreid.
Tenchu: Dark Secret maakt gebruik van een procedureel missiesysteem dat vijandposities en kaartindelingen varieert, wat de herspeelbaarheid verhoogt. De dubbele scherminterface van de Nintendo DS toont kaartgegevens en inventarisbeheer tegelijkertijd, waardoor snelle toegang tot uitrusting mogelijk is zonder de gameplay te onderbreken.
Als handheld-titel die de kenmerkende stealth-mechanica van de serie naar de DS brengt, bevat Tenchu: Dark Secret een leveleditor. Met deze functie kunnen spelers aangepaste missies ontwerpen, waarbij ze worden uitgedaagd om ingewikkelde lay-outs te creëren die de grenzen van de stealth-engine testen.