Call of Duty 4: Modern Warfare bevat een geheel nieuw multiplayer-gedeelte. Spelers hebben nu ten eerste meer wapens tot hun beschikking, en men kan nu verschillende (classes) samenstellen.
Er zijn vijf standaard-classes: Assault, Spec Ops, Heavy Gunner, Demolitions en Sniper. Ook is er een ranking-systeem geïntroduceerd.

De speler gaat een rang omhoog door Experience Points (XP) te verdienen.
Deze XP kan hij verdienen door tegenstanders neer te schieten, bommen te plaatsen of te ontmantelen (defusen) en door UAV, een luchtaanval (air strike) of helikopter-ondersteuning aan te vragen.
Hoe hoger de rang hoe verder hij z'n classes kan uitbreiden.

Een class of 'wapenset' bestaat uit een wapen dat o.a. met een laservizier (Red Dot Sight) of een geluidsdemper (Silencer) uitgerust kan worden. Verder kan de speler een pistool (sidearm) kiezen en tenslotte nog drie zogenaamde "Perks". Sommige perks zijn nog vergrendeld en worden pas vrijgespeeld wanneer de speler rangen omhoog gaat.
Er zijn veel verschillende Perks beschikbaar waardoor de speler met ieder telkens weer een ander voordeel op het slagveld heeft. Er zijn perks om langer te kunnen sprinten, perks waarmee men onhoorbaar wordt maar ook perks waarbij de wapens sterker of krachtiger worden.
Ook zijn er meerdere verschillende mogelijkheden om uit te kiezen voordat men online gaat spelen: Team Deathmatch, Free for All, Team Tactical, Domination, Search and Destroy, HeadQuarters, Sabotage en Cage Match.