Il gioco segue Sonic e i suoi amici mentre viaggiano attraverso varie zone per fermare il Dottor Eggman dal prendere il controllo di South Island. Il gioco presenta quattro personaggi giocabili: Sonic, Tails, Knuckles e Amy. Ogni personaggio possiede lo stesso set di mosse che aveva in Sonic the Hedgehog 3 e Sonic & Knuckles, con l'aggiunta di un attacco corpo a corpo. Ogni personaggio ha un'abilità speciale, come lo splice shield di Sonic, il volo di Tails e le abilità di planare e arrampicarsi di Knuckles. Nel suo debutto giocabile in 2D, Amy non può eseguire lo Spin Dash né entrare nella forma a palla quando salta, come gli altri, e deve fare affidamento sul suo Piko Piko Hammer per difendersi, rendendola unica tra i personaggi. Le rotaie da grind, introdotte per la prima volta in Sonic Adventure 2, fanno anche la loro prima apparizione in 2D. Sonic e Tails possono essere utilizzati anche contemporaneamente durante la storia inserendo un codice cheat nello schermo di selezione dei personaggi. Giocando con entrambi i personaggi, il gameplay è simile a quello di Sonic the Hedgehog 2: il giocatore può controllare solo Sonic e Tails controllato dalla CPU lo segue.