Действие Sonic Generations развернётся в трёх эпохах серии Sonic the Hedgehog: Классической, эпохе Dreamcast и Современной. Игрок должен управлять одним из двух Соников: Классическим (англ. Classic Sonic, внешностью 1991—1998 годов) или Современным (англ. Modern Sonic, дизайном, используемым после 1998 года). Помимо внешнего вида, у каждого из Соников будет свой стиль геймплея, соответствующий его игровой эпохе. Игра Классическим Соником будет включать в себя уровни с видом сбоку и приёмы spin attack и spin dash. Игровой процесс за Современного схож с Sonic Colors и 2D/3D уровнями Sonic Unleashed, а персонаж будет использовать приёмы sonic boost и homing attack.