В первой игре студии, Call of Duty, использовался игровой движок id Tech 3 (Quake 3 Engine) компании id Software. Впоследствии движок был очень серьёзно переработан для игры Call of Duty 2; в него была добавлена поддержка функционала DirectX 9 и улучшены важнейшие визуальные аспекты. Например, добавлена работа с динамичным освещением и динамическими тенями, встроены различные пост-эффекты обработки изображения (такие как motion blur), рельефные текстуры и прочее. Также была проведена оптимизация, позволившая создавать открытые локации большого размера.
Игра Call of Duty 4 была построена на улучшенной версии движка Call of Duty 2, который, в свою очередь, является усовершенствованным id Tech 3. В движок, помимо прочих улучшений, была добавлена глубина резко изображаемого пространства и High Dynamic Range Rendering. Игры компании-партнёра Treyarch — Call of Duty: World at War и Quantum of Solace — были также созданы на основе модифицированной версии движка Call of Duty 4.
В Call of Duty: Modern Warfare 2 используется модифицированный движок игры Call of Duty 4, получивший название IW 4.0. Движок стал использовать DX10 и технологию потоковых текстур, что позволяет создавать более открытые и крупные уровни. Была проведена серьёзная работа со светом. Кроме того, ещё большую роль играет оружейная баллистика: учитываются типы поверхности, формы объектов, разновидности гранат и т. д.