Robotnik lance un défi à Sonic, Tails et Knuckles. Il va conquérir le monde et il prétend qu'ils ne pourront pas l'arrêter. Parallèlement, Rouge, à la recherche d'un trésor, découvre Shadow, amnésique, et un robot trahi par Eggman, E-123 Omega, dit Omega. Amy, Big et Cream partent à la recherche de Sonic, Froggy (une grenouille amie de Big) et Chocolat (le frère de Cheese, le chao qui accompagne Cream). La Team Chaotix, composée de Vector, Espio et Charmy, est une agence de détective qui est engagée par un mystérieux client qui les met sur la piste de Robotnik.
Il sera vite révélé que les personnages ne combattent pas Robotnik mais une de ses créations qui a pris le dessus : Metal Sonic. En copiant les données génétiques de Froggy et Chocolat, ils récupèrent celles de Chaos, qui les a rencontrés dans Sonic Adventure, ce qui lui permet de récupérer sa capacité à se transformer en liquide. Il essayera de conquérir le monde et surtout de tuer Sonic, qu'il déteste plus que tout.
Le jeu est basé sur le concept d'équipe : le joueur contrôle le chef d'une équipe de trois personnages et peut en changer en permanence. Chacun des trois personnages a des capacités propres :
- Speed (symbolisé par une couleur bleue) : Sonic, Shadow, Amy et Espio
- Fly (symbolisé par une couleur jaune) : Tails, Rouge, Cream et Charmy
- Power (symbolisé par une couleur rouge) : Knuckles, Omega, Big et Vector
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