"X-Men: Children of the Atom" es un juego de lucha en 2D y el primer título de Capcom en utilizar personajes de licencia del universo Marvel. Cuenta con seis personajes principales y cuatro de sus enemigos que se pueden conseguir. Los X-Men son Colossus, Cyclops, Iceman, Psylocke, Tormenta y Lobezno. Los villanos son Omega Red, Sentinel, Silver Samurai y Espiral. Los dos jefes principales son Juggernaut y Magneto, y Akuma está disponible como un personaje secreto. La lucha se lleva a cabo uno-contra-uno con una configuración tradicional de más de dos fuera de tres rondas, con bloqueo automático o manual. Al igual que el indicador Super Combo en "Super Street Fighter II Turbo" hay un indicador X-Energy de diferentes niveles, que se llena cuando el jugador realiza movimientos. Cuando se está al máximo un movimiento especial X-Ability o Hyper X se puede realizar. Otras características generales son las capacidades de Super Salto, rodar y lanzar proyectiles.