В мире Соника наступает настоящий хаос и временная дыра затягивает его в прошлое, где ему и Сонику 1991 года предстоит победить новую силу и спасти своих друзей. Действие платформера Sonic Generations разворачивается одновременно в трех эпохах: Классической, эпохе Dreamcast и Современной. Каждая эпоха отличается уникальным игровым процессом, меняется и внешний облик главного героя. Например, при игре за Классического Соника уровни представлены в 2D или 2,5D перспективе и напоминают старые игры серии. При игре за Современного Соника уровни представлены в 3D. Кроме того, каждый из героев владеет уникальным набором приемов. На уровнях игрок должен собирать раскиданные кольца, количество которых влияет на ранг, присваиваемый игроку после прохождения очередного уровня.