В Wolfenstein 3D игрок управляет солдатом, пытающимся бежать из одноимённой нацистской крепости; ему противостоит множество вооружённых охранников и сторожевых собак. Здание наполнено потайными комнатами, где хранятся разного рода драгоценности, пищевые продукты и медицинские аптечки, а также различное оружие и боеприпасы. Игрок двигается по уровням игры, в конце каждого сюжетного эпизода предстоит схватка с «финальным боссом» — особенно сильным противником, для победы над которым требуется немало усилий со стороны игрока. Для прохождения эпизода достаточно завершить только 9 из 10 уровней. Где-то в восьми первых миссиях каждого эпизода находятся замаскированные выходы на секретный 10-й уровень. Такой уровень в третьем эпизоде прославился тем, что представлял собой одну из вариаций известной игры Pac-Man с той лишь разницей, что на привидений игрок смотрел с точки зрения Пакмана.

Первоначальная концепция Wolfenstein 3D предусматривала массу тактических возможностей, почерпнутых из оригинальной игры, включая перенос тел, переодевание во вражескую форму, бесшумное уничтожение противников ловким ударом в спину и другие атрибуты современных стелс-игр. Несмотря на то, что все вышеперечисленные возможности были реализованы программистами id Software, от них отказались, поскольку они затягивали геймплей и делали управление игрой невыносимо сложным.

Вопреки распространённому мнению, Wolfenstein 3D не является первым шутером от первого лица в истории компьютерных игр. До него был выпущены Hovertank 3D (май 1991 года) Catacomb 3-D (октябрь 1991 года) компании Softdisk, в которой ранее работали основатели id Software.Более того, Wolfenstein позаимствовал ряд идей из этих игр, включая, например, изображение лица главного героя в статусной строке.

Wolfenstein 3D была выпущена как shareware,в связи с чем игра разошлась по миру огромным количеством копий. Бесплатная версия игры содержала только один эпизод («Escape from Wolfenstein»), состоявший из 10 уровней (этажей). Коммерческий выпуск игры насчитывал три эпизода, включая первый (новыми эпизодами были «Operation: Eisenfaust» и «Die, Führer, Die»), а также набор дополнительных эпизодов «The Nocturnal Missions» (содержащий «A Dark Secret», «Trail of the Madman» и «Confrontation»). Таким образом, общее количество уровней Wolfenstein 3D составляло 60, по десять уровней в каждом эпизоде.

Игра была выпущена на PC и затем портирована на компьютеры Macintosh Apple IIgs, Acorn Archimedes и RiscPC, а также на видеоприставки Super NES, Atari Jaguar, Game Boy Advance и 3DO. Исходный код был опубликован id Software в 1995, что положило начало традиции раскрывать исходный код движка каждой старой игры вскоре после выхода нового проекта (исключением стал только Doom II, который изначально был выпущен на правах GNU GPL). Позднее игра была адаптирована для Linux. В 1992 году Wolfenstein 3D вышел приквел (предыстория) Spear of Destiny.

В процессе работы над Wolfenstein 3D сотрудники id Software придумали немало названий для своего 3D-шутера. Среди них: Castle Ochtenstein, Luger’s Run, The Fourth Reich, Adolph’s Bane, Hard Cell, Luger Me Now, Tank You Very Much, Castle Hasselhoff, How Do You Duseldorf?, Castle Verlassen, Sturmwind, Hollehammer, Schattensendener, Geruchschlect, Dolchteufel, Grabgrabbener, Eisenschwert и Dammerung. В конечном итоге компания приобрела права на торговую марку у создателя аркады Castle Wolfenstein.

Первые три эпизода повествуют о попытке Уильяма «B.J.» Блажковича бежать из замка Вольфенштайн и свергнуть нацистский режим.

Вооружённый поначалу лишь ножом и пистолетом (отобранных в борьбе у охранника его камеры) B.J. стремится бежать из замка. Убивая офицеров «СС», он получает автомат, а затем и ручной пулемёт, сталкиваясь в конечном итоге с последним стражем — Гансом Гроссе (Hans Grosse, «Большой Ганс»).

Уничтожив Гроссе и покинув замок Wolfenstein, B.J. приступает к выполнению операции «Железный кулак» («Operation: Eisenfaust»). С самого начала становится ясно, что действие происходит не в тюрьме: стены покрыты мульчой, главными врагами Блазковича становятся серокожие мутанты с автоматом, имплантированным в грудную клетку. Операцией «Железный кулак», по-видимому, также назывался проект по выращиванию таких мутантов; босс эпизода, доктор Шаббс (Dr Schabbs), бросает в игрока шприцы. Его смерть знаменует собой конец биологической войны. На восьмом уровне в секретной комнате спрятан один Ганс Гроссе и надпись «Apogee» (на самом деле в секретном лабиринте скрывается ещё один Ганс Гроссе — итого их два на 8 уровне второго эпизода).

«Die, Fuhrer, Die!» — это хронологически последний эпизод. Пробившись сквозь ряды нацистских солдат и атаковав бункер, расположенный под Рейхстагом, игрок имеет удовольствие сразиться с финальным боссом, в роли которого выступает Адольф Гитлер, закованный в огромные механические доспехи.

«The Nocturnal Missions» представляют собой приквел, повествующий о разработке нацистами химического оружия.

В эпизоде «A Dark Secret» игрок охотится за учёным, непосредственно разрабатывавшим это оружие; задача B.J. состоит в том, чтобы проникнуть в исследовательские лаборатории и уничтожить доктора Отто Гифтмахера (Dr. Otto Giftmacher, в переводе с немецкого «Изготовитель яда»), который пытается уничтожить B.J. из ручной ракетницы. На секретном уровне Вас ожидают офицеры-невидимки.

«Trail of the Madman» — это эпизод, отличающийся самыми изысканными интерьерами. Игрок должен выкрасть планы химической войны (нем. Giftkrieg), которые охраняет Гретель Гроссе (Gretel Grosse, «Большая Гретель»), сестра Ганса. Она выглядит примерно так же, как брат, только одета в розовое, а не синее, и со здоровенными сиськами. Повсюду развешаны портреты Гитлера (в том числе мозаичные), символизирующие вершину его могущества. Все этажи богато и роскошно украшены.

История заканчивается эпизодом «Confrontation», который подводит итог всему, с чем сталкивался игрок на протяжении всей игры. Здесь есть мутанты, Pac-Man и ещё три Гроссе, идентичных Гансу (все на секретном уровне). Финальный бой происходит между B.J. и идеологом химической войны, её руководителем и просто «плохим дядей» генералом Феттгезихтом (General Fettgesicht, в переводе с немецкого «Жирномордый»).

Следует отметить, что, несмотря на сюжет, игра, даже если отбросить научно-фантастическую часть, не имеет никакого отношения к реальным нацистским планам и сооружениям. Дизайн интерьера игрового мира полностью вымышлен. По крайней мере три уровня имеют планировку в виде свастики (E1M4; E2M5; E6M3), в том числе один уровень представляет собой несколько свастик, вложенных друг в друга (E6M3), и на одном из уровней третьего эпизода оставили свои инициалы Джон Ромеро и Том Холл (E3M7). Тем не менее сюжет игры опирается на реальные, тщательно спланированные, побеги захваченных в плен солдат антифашистской коалиции из подобных тюремных казематов, как, например, замок Колдиц. Также нелишне вспомнить побег знаменитого писателя Станислава Ежи Леца, который в свое время, подобно нашему герою, зарубил лопатой эсэсовца, забрал его оружие и форму и совершил побег.

Визуализация стен в «полу-3D» производилась с помощью рэй-кастинга (англ. ray casting), специального вида рэй-трэйсинга (англ. ray tracing).Этот метод заключается в отслеживании хода луча, который выходит из точки наблюдения и проходит через каждый столбец пикселов на экране; программа проверяет, не пересек ли луч стену, и в соответствии с этим производит наложение текстур. Далее создается одномерный буфер, в котором располагаются масштабированные спрайты, которые изображают врагов, бонусы и предметы.

До Wolfenstein 3D, эта технология уже использовалась id Software в 1991 для создания Hovertank 3D и Catacomb 3D для Softdisk, но с использованием 16 цветов при разрешении 320х200 (в Wolf 3D было уже 256 цветов при том же разрешении). Список игр, которые использовали игровой движок Wolfenstein 3D или его модификации, включает такие игры, как Blake Stone, Corridor 7, Operation Body Count, Super Noah's Ark 3D, Rise of the Triad, Shadowcaster и Hellraiser.

Согласно словам Джона Кармака, главного программиста id Software, игровой движок был создан под вдохновением от технологической демоверсии компьютерной ролевой игры от первого лица Origin/Looking Glass Studios — Ultima Underworld: The Stygian Abyss в 1991. Кармак утверждал, что сможет создать более быстрый визуализатор, в чём и преуспел. Движок Wolfenstein 3D примитивнее такового в Underworld (в нём отсутствуют наклонные поверхности и освещение), однако Wolfenstein 3D требует и меньше аппаратных ресурсов.

Wolfenstein 3D — первая игра, использующая ExMx (иначе, «ExLx») — единый способ наименования уровней. Первый x обозначает номер эпизода, второй — номер карты или уровня. Например, «E1M4» — это четвёртый уровень первого эпизода.