В игре присутствует возможность играть за двух персонажей: самого Соника и двухвостого лисёнка Тэйлза, управляемого со второго джойстика. Тэйлз относительно «бессмертен», и является пассивным участником событий, камера даже не следит за ним, хотя при желании лисёнок может поражать врагов и собирать кольца. Если второй джойстик не подключен, искусственный интеллект заставляет Тэйлза просто следовать за Соником, повторяя его движения. Опции игры позволяют отказаться от Тэйлза или, напротив, убрать Соника, сделав лисёнка главным героем. В отличие от последующих частей, технических различий между персонажами нет, и их движения идентичны. Уровни по длинне стали заметно больше, но теперь они имеют только 2 этапа (исключения: Metropolis Zone — 3 этапа, 3 последних уровня — 1 этап). Герой также должен бежать слева направо, собирая по пути кольца и уничтожая врагов. В конце второго этапа на пути персонажа появляется босс — Доктор Роботник, как и в первой части. На уровнях имеются столбы с изображением звезды, которые являются точками сохранения и способом попадания на бонусный уровень —
Собрав все семь Изумрудов Хаоса Соник получает возможность превратиться в Супер Соника. Для этого после получения всех изумрудов следует собрать 50 колец и подпрыгнуть. Соник окрасится в жёлтый цвет, станет быстрее бегать, прыгать и получит возможность убивать врагов простым прикосновением, для него теперь не страшны шипы и огонь, однако он всё же может умереть, задавленный блоками, прессами или угодив в пропасть.
В игре существует режим для двух игроков, при котором экран делится на две части, и игроки соревнуются, наперегонки проходя уровни. В режиме для двух игроков присутствуют уровни Emerald Hill, Casino Night, Mystic Cave и Special Stage. Боссы отсутствуют. Присутствуют мониторы с изображением Роботника, разбив которые игрок получает повреждение, как от столкновения с врагом, и мониторы-телепорты, при разбивании которых игроки меняются местами.
В игре существует 7 специальных уровней, по числу Изумрудов Хаоса. Чтобы попасть в специальный уровень, игрок должен собрать 50 колец, задеть столб со звездой и запрыгнуть в облачко появившихся звёзд. Специальный уровень представляет собой подобие разноцветной трубы, по которой бежит герой, заполненной кольцами и бомбами. Герой должен пробежать три этапа, собирая требуемое количество колец, и получить собственно изумруд.