Atelier Shallie: Alchemists of the Dusk Sea cierra la trilogía Atelier Dusk compuesta por las anteriores entregas Atelier Ayesha: The Alchemist of Dusk y  Atelier Escha and Logy: Alchemists of the Dusk Sky. La trilogía Dusk está ambientada en un telón de fondo de un mundo que lentamente se está acercando a su fin; un mundo en el crepúsculo de su existencia. Al igual que en Escha and Logy, en Atelier Shallie los jugadores pueden escoger a uno de los personajes principales: ya sea a la comedida Shallistera, hija de un líder tribal que se embarca en un viaje para encontrar para su padre enfermo, o la enérgica Shallotte, que ha estado luchando por el éxito de su tienda de alquimia tras heredarla de su padre. Aunque sus personalidades y apariencia son diametralmente opuestas, ambas comparten el apodo de "Shallie" y muestran las razones por las que emprenden sus aventuras— el Sistema de personajes principales duales ha sido mejorado con historias separadas y múltiples finales para Shallistera y Shallotte.

Se han incorporado características desarrolladas a partir de los comentarios recibidos por la comunidad de jugadores, relativos a las entregas previas de la serie Dusk. Como resultado, el juego ahora cuenta con un Sistema de Entornos, que se adapta a las acciones del jugador. El material recogido a través de una misma fuente ahora se puede agotar y, a cambio, volverse escaso y más cara su adquisición en la tienda. El sistema también adapta automáticamente la dificultad para responder a las necesidades de los recién llegados, con la posibilidad de un estilo de juego más avanzado para los usuarios más acostumbrados a la franquicia.

Hay también cambios significativos en el Sistema de Batalla que se centrarán en la estrategia y la velocidad, al tiempo que el Sistema de gestión estará libre de restricciones permitiendo un tiempo de juego ilimitado. Además, esta producción se aparta del carácter lineal de las anteriores entregas incorporando el nuevo Sistema Quest. Con éste, los jugadores podrán escoger aquellos encargos necesarios para progresar en el juego o para ganar más puntos participando en misiones adicionales más desafiantes.

Por último, por primera vez en la saga Atelier, Atelier Shallie: Alchemists of the Dusk Sea incluirá una cámara de 360 grados, que dará a los jugadores más libertad para explorar el vasto mundo de juego que se ha expandido enormemente con muchos escenarios nuevos que evolucionan en función de los progresos del jugador.