Touhou Kinjoukyou Fossilized Wonders заставляет игрока маневрировать среди сложных узоров из снарядов в буллет-хелл сражении с вертикальной прокруткой. Под управление можно взять жрицу Хакурей Рейму или волшебницу Кирисаме Марису, чтобы противостоять новой аномалии, распространяющейся из священного святилища. Признаки этого бедствия у подножия горы в мире Гэнсокё заметили лишь немногие. Протагонист отправляется в путь, используя накопленные при решении прошлых инцидентов силы для исследования затронутой области и столкновения с новыми трудностями.

Центральным элементом геймплея Touhou Kinjoukyou Fossilized Wonders является экипировка и сочетание 8 уникальных Камней Аномалии для подготовки к бою. Перед стартом уровня геймер определяет персонажа и сложность, после чего составляет набор снаряжения из этих камней мутации. Артефакты делятся на четыре типа по своему стратегическому назначению: основной, рассеивающий, концентрированный и вспомогательный. Определённое сочетание этих элементов даёт героине необходимые способности для преодоления грядущих испытаний.

Этот 20-й проект в серии Touhou Project предлагает полное погружение в механики буллет-хелл шутера в одиночном режиме. Игровой процесс строится на наборе очков и прохождении уровней с постоянно усложняющимися схемами вражеского огня. Сюжет этой игры раскрывается по мере продвижения выбранной героини по фэнтезийному миру, сталкивающейся с источником аномалии напрямую. Главная задача — применять подобранные силы артефактов для выживания в бою и разрешения ситуации внутри священного святилища.