Shadow of the Tomb Raider est basé sur une version modifiée du moteur Crystal Dynamics Foundation. Ce moteur était déjà utilisé dans le prédécesseur Rise of the Tomb Raider. Le moteur de base prend en charge une représentation réaliste de l'eau et de la neige et montre les personnages du jeu de manière particulièrement détaillée. L'affichage des cheveux est également particulièrement réussi grâce au support de TressFX (AMD) ou HairWorks (NVIDIA).