Un mes de cada año, un pequeño planeta aparece en los cielos sobre el "Never Lake".
Este misterioso lugar contiene siete gemas ancestrales que controlan el paso del tiempo, llamadas las "Time Stones".
Por fortuna, Sonic ha descubierto el plan de Robotnik, y pretende detenerlo a toda costa.
Con ese fin, desarrolla su más diabólica y sofisticada máquina hasta la fecha: un robot réplica de nuestro heroico erizo, diseñado para igualar toda habilidad de Sonic e incluso sobrepasar su renombrada velocidad, Metal Sonic.
Esto se consigue gracias a unos postes que hay esparcidos por el nivel, con letreros de pasado y futuro.
En el pasado todos los robots funcionan correctamente y serán duros de derrotar.
En el futuro todos los robots están averiados, por lo que serán fáciles de vencer.
Como casi todos los juegos de Sonic de esta era, cada nivel está dividido en 3 actos (aunque son denominadas zonas en este juego, tanto como los niveles son denominadas rondas), desarrollándose el 3º siempre en el futuro.
Además, cada vez que Sonic llegue al final de cada acto (independientemente de la época) con 50 anillos, puede coger el Giga Anillo, y llegara a la Special Stage.
Sonic se encuentra a su paso por cada fase bastantes tipos de Badniks.
Con cada golpe recibido, los brazos se irán desprendiendo, reduciendo la defensa de Robotnik.
El Presente muestra una zona normal, prácticamente idéntica a la mencionada zona Labyrinth, solo cambian los tonos de las estructuras, agua y fondos apredreados con respecto a ésta.
También se puede ver, en el exterior de la zona, un sistema volcánico en erupción.
El pasado muestra cuevas y grutas sin edificar, con aguas subterráneas cristalinas.
El futuro malo muestra una planta químico-eléctrica subacuática con agua color granate contaminada, mientras que, en el futuro bueno, es un Acuario Mecánico turquesa con plantas y peces con agua limpia, clara y azulada.
Stardust Speedway es una autopista luminosa con grandes estructuras y entramados con propulsores sobre una gran ciudad, que guarda cierto parecido con Star Light Zone de Sonic 1, donde en todas las épocas la acción se desarrolla de noche.
Se trata de una fábrica plagada con sierras circulares gigantescas, plataformas escarpadas y otros objetos afilados listos para descuartizar al erizo.
En el Acto 2, Sonic es miniaturizado para pasar por pasadizos estrechos en un complejo laberinto.
Ya en la cámara, Robotnik atacara en una imponente nave circular compuesta por 4 paneles metálicos que lo rodean.
Robotnik hará que los paneles caigan desde lo alto del techo hasta el suelo.
Con la mitad del Sonic Team y dos de sus más importantes creadores presentes, el Sega Technical Institute acabó con la tarea de desarrollar la secuela Sonic the Hedgehog 2.
Es por esta razón que la evolución de Sonic a Súper Sonic nunca se presentó en este juego (al haber sido ideado posteriormente y por otro equipo de desarrollo).
La nueva canción se llamaba "Sonic Boom", realizada por el trío femenino de jazz Pastiche.
Además, las secuencias realizadas en FMV fueron reeditadas para acompañar el ritmo de las nuevas melodías.
La versión europea de Mega CD contenía banda sonora japonesa, en la versión de PC y la de Sonic Gems Collection para PlayStation 2 y GameCube, han tenido la banda sonora norteamericana en Norteamérica y Europa y en Japón la banda sonora japonesa, sin embargo la versión de Playstation 2 de Sonic Gems Collection contiene ambas bandas sonoras, y para poder jugarlo con banda sonora japonesa hay que configurar la PS2 o PS3 en idioma japonés (solo que las PS2 norteamericanas y europeas no contienen idioma japonés), pero en GameCube los discos solo contienen la banda sonora de su respectiva región.
Otra controversia es que los temas de todas las zonas en pasado son iguales e inspiradas en la Banda sonora Japonesa.
La mayoría todas estas discrepancias y controversias vieron respuesta en el relanzamiento del juego en 2011 para sistemas contemporáneos donde, finalmente, se permitió al jugador alternar ambas bandas sonoras a su gusto.
Esta nueva versión contiene una pequeña colección de logros/trofeos para hacerlo más interesante al juego.