Call of Juárez: The Cartel gira en torno a un equipo encubierto que se ha formado para investigar un atentado con bomba en una oficina del Departamento de Policía de Los Ángeles. Los acontecimientos se desarrollan en la sala de reuniones donde se forma el equipo, formado por Ben McCall, un detective del Departamento de Policía de Los Ángeles que se acerca lo más posible a los ideales occidentales del juego, una agente del FBI, Kim Evans, y Eddie Guerra, de la DEA. Este equipo encubierto tiene la tarea de trabajar en secreto y llevar a cabo su investigación del atentado, con la posible participación de los gánsteres locales, así como del cártel de Mendoza de México. Al conceder la libertad para lograr sus objetivos, el equipo comienza intentando provocar una guerra de bandas destruyendo drogas que pertenecen a una banda mientras se hacen pasar por el Cártel. El jugador puede elegir cuál de los tres personajes controlar, cada uno con su propia elección de armas y habilidades especiales. A veces, los enemigos lanzarán fuego de supresión, en cuyo caso el equipo debe quedarse atrás, mientras el protagonista avanza para cubrirlos. A lo largo del juego también hay varias secuencias de persecución en coche y tiroteos. Los combates con armas de fuego se intercalan ocasionalmente con breves secuencias de lucha, así como momentos en los que hay que abrir una puerta para abatir a los enemigos. El juego está orientado al modo cooperativo, ya que al jugador se le dan objetivos opcionales a lo largo de su desarrollo.