O jogo apresenta níveis derivados de 20 anos de história do Sonic, espalhando-se por três eras: Clássico, Dreamcast e Moderna, que são jogados tanto com o Sonic Clássico ou o Sonic Moderno. Sonic Clássico são níveis estritamente em 2D, usando movimentos clássico como o Spin Attack e Spin Dash, enquanto os níveis de Sonic Moderno seguem um estilo de semelhante a jogos mais recentes da série, com as versões de console usando o estilo de jogo 2D/3D de Sonic Unleashed e Sonic Colors, com ataques de homing, impulsionando, drift velocidade, slide, stomp, e o passo rápido. A versão 3DS usará a jogabilidade 2D da série Sonic Rush Além de clássicos power-ups, como a Invencibilidade e Calçado Speed, certos níveis têm uma única "power-ups", como skates em Escape City e "Wisp Powers" em Planeta Wisp. Cada zona consiste num ato principal para cada Sonic, bem como várias missões secundárias, com vários desafios, como derrotar um oponente no fim. Semelhante ao Sonic Colors, cada nível principal contém vários anéis Estrela Vermelha que desbloquear vários conteúdos. Ao contrário das versões de consola, a versão 3DS contará com estágios especiais (baseado em Sonic Heroes) um multiplayer e modo versus, e a maioria das etapas incluídas serão diferentes daqueles da versão para consola. A equipe de desenvolvimento está também a considerar a inclusão de etapas anteriores de títulos do Sonic portáteis na versão 3DS. Existem também diversas missões que podem ser desbloqueados via StreetPass, ou usando moedas Play. Uma Skill Shop (Loja de Pericias) permite aos jogadores usar os pontos ganhos a partir de altas pontuações para desbloquear upgrades tais como habilidades, escudos, e até mesmo o jogo Sonic original de 1991 da Mega Drive.
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