Die Geschichte beginnt, als Sonic und Tails Dr. Eggman verfolgen, der die mysteriöse Lost Hex gefunden hat, einen Planeten am Himmel. Dort unterwirft Eggman die Deadly Six — Zazz, Zeena, Zomom, Zik, Zavok und Master Zik — mit einer magischen Muschel. Als Sonic die Muschel zerstört, rebellieren die Deadly Six und wenden sich gegen alle, drohen, die Lebensenergie des Planeten aufzusaugen. Sonic muss sie aufhalten, indem er thematische Welten wie Windy Hill, Desert Ruins, Frozen Factory, Silent Forest, Sky Road und Lava Mountain durchquert.
Die Version für den 3DS, entwickelt von Dimps, bietet exklusive Level, Mehrspieler-Modus, StreetPass-Funktionen und spezielle Stages mit Nutzung des Gyroskops. Das Gameplay kombiniert Parkour-Bewegungen, Boosts, Wisp-Kräfte und den Wechsel zwischen 2D- und 3D-Perspektive. Das Spiel zeichnet sich durch Geschwindigkeit, Vielfalt und Herausforderung aus, während die Geschichte den Fokus auf Zusammenarbeit, Erlösung und die Bewältigung von Sonics Ego legt.