『時獄篇』は全32作品。初参戦作は4作品。『天獄篇』は全44作品。初参戦作は6作品。『時獄篇』ではZシリーズ第1作『Z』から参戦していた作品の多くが外されているが、第2作『第2次Z』から参戦した作品の多くは続投している（一部の作品は続編と入れ替わっている）。『天獄篇』では『時獄篇』で外された作品のいくつかが復帰した。
『第2次Z』と同様に2部構成となっている関係上、『機動戦士ガンダムUC』（『時獄篇』発売時点では未完結）など、『時獄篇』ではストーリー再現が途中までに留まる作品が存在する。
『天元突破グレンラガン』は『時獄篇』においてストーリーが最後まで扱われ、機体が銀河以上に巨大化する「天元突破」は1MAP限定で敵味方すべてが機体サイズ「∞」に変化する形で再現された。また、『時獄篇』では同作のキャラクターであるアンチスパイラルが最終ボスとなっている[4]。
『マクロスF』は劇場版2作品のみの参戦となり、キャラクターも劇場版からの登場という扱いであるが、あくまで前作までと同一人物であるため、キャラクターの設定のみTVシリーズに準拠している。
『時獄篇』での『フルメタル・パニック!』シリーズは『フルメタル・パニック! The Second Raid』のデザインが初めて採用。また『天獄篇』における『フルメタル・パニック!（原作小説版）』はアニメ版のデザインをベースに、当時アニメ未登場だったキャラクター[5]を原作イラストレーターの四季童子が描き下ろし[6]、原作を基にしたシナリオが再現される。
『天獄篇』の初回封入特典として封入された『連獄篇』はZシリーズのオリジナルキャラクター、メカのみの登場で、版権作品のキャラクターなどは登場しない[7]。 ここでは、本作特有のシステムや新規追加・変更されたシステムについて解説する。シリーズ共通のシステムについてはスーパーロボット大戦シリーズのシステムを参照。前作から引き続き参戦している作品の特殊能力はスーパーロボット大戦Z#原作設定を再現したシステム、第2次スーパーロボット大戦Z#原作設定を再現したシステムを参照。
パッケージ登場機体
時獄篇
グレンラガン（天元突破グレンラガン）
ARX-7 アーバレスト（フルメタル・パニック! The Second Raid）
エヴァンゲリオン初号機（ヱヴァンゲリヲン新劇場版）
ライト・スコープドッグ（装甲騎兵ボトムズ ビッグバトル）
蜃気楼（コードギアス 反逆のルルーシュ R2）
ダイ・ガード（地球防衛企業ダイ・ガード）
アクエリオンEVOL（アクエリオンEVOL）
ユニコーンガンダム（ユニコーンモード）（機動戦士ガンダムUC）
ゴッドマーズ（六神合体ゴッドマーズ）
ダンクーガノヴァ マックスゴッド（獣装機攻 ダンクーガ ノヴァ）
VF-25F メサイア（トルネードパック装備）（劇場版マクロスF ?サヨナラノツバサ?）
真・ゲッター1（真〈チェンジ!!〉ゲッターロボ 世界最後の日）
天獄篇
マジンガーZ（真マジンガー 衝撃! Z編）
チェインバー（翠星のガルガンティア）
蜃気楼（コードギアス 反逆のルルーシュ R2）
ARX-7 アーバレスト（フルメタル・パニック! The Second Raid）
エヴァンゲリオン初号機（ヱヴァンゲリヲン新劇場版）
アクエリオンEVOL（アクエリオンEVOL）
ユニコーンガンダム（デストロイモード）（機動戦士ガンダムUC）
ゴッドマーズ（六神合体ゴッドマーズ）
ダンクーガノヴァ マックスゴッド（獣装機攻 ダンクーガ ノヴァ）
YF-29 デュランダル（劇場版マクロスF ?サヨナラノツバサ?）
バーグラリードッグ（装甲騎兵ボトムズ 孤影再び）
ダイ・ガード（地球防衛企業ダイ・ガード）
ディスヌフ（トップをねらえ2!）
システム
タッグバトル・システム
『スーパーロボット大戦OGシリーズ』のツインユニットシステムと同様に2機1組のチームを編成することができる。メイン、サブは任意のタイミングで交代可能だが、OGシリーズのそれと違い分離・合流（後述の超銀河グレンラガンは例外）はできない。
タッグテンション、タッグコマンド
タッグを組んでいるチームのみが使用できるコマンドで、使用するにはタッグテンションがストックされている必要がある。
タクティカルコンボ
敵機を連続で撃破すると最終ダメージ、資金とZチップの入手量が増加する。
Dトレーダー
インターミッション中に強化パーツや部隊全体に恩恵を受けるパーツを購入できるもの。購入には敵機を撃墜したり強化パーツを売却することで手に入る「Zチップ」が必要。
マキシマムブレイク
『第2次スーパーロボット大戦OG』の同名システムとは違い、タッグチームが同時攻撃を行う。使用するにはタッグテンションがMAXになっていることが条件である。
エディットBGM
あらかじめゲーム機のストレージに保管しておいたMP3ファイルを戦闘時のBGMにすることができる（他ゲームでは「カスタムサウンドトラック」とも呼ばれているもの）。一例として、各ユニットの出自作品で用いられていた原曲そのものをBGMとして使うことも可能。エディットできる対象は「個別の機体」、「マキシマムブレイク用」、「部隊用」の三種類。使用できるシチュエーションやMP3の仕様にも細かい制約があるので、詳細は公式サイトを参照のこと。天獄篇では武器ごとに個別に設定できるようになった。
原作設定を再現したシステム
時獄篇、天獄篇共通
NT-D（機動戦士ガンダムUC）
ユニコーンガンダム（ユニコーンモード）に搭載されているシステムで、パイロットの気力が130以上になると使用可能になる。個別コマンド「NT-D発動」を選択することでユニコーンガンダムがデストロイモードへと変形し、機体能力が向上する。変形から5ターン後に自動でユニコーンモードに戻り、同じマップでの再発動はできない（天獄編中盤に覚醒イベント後以降はターン数制限がなくなり、マップクリアまで発動状態となる）。
ラムダ・ドライバ（フルメタル・パニック）
ARX-7 アーバレストに搭載されているシステムで、パイロットの気力が130以上になると発動する。気力の上昇で機体の「照準値」「運動性」「装甲値」が上昇、最終与ダメージに補正がかかる。さらにダメージを500軽減するバリア「ラムダ・ドライバ」が使用可能になる。バリアは使用時にENを10消費し、気力が10上昇するごとに軽減するダメージが100ずつ増えていく。