Sonic Heroes is, net als de voorgaande Sonic games, een platform waarbij hoge snelheden, loopings en trampolines die je van hot naar her schieten, centraal staan. De grootste vernieuwing in Sonic Heroes is dan ook dat je dit maal niet in je eentje op pad gaat, maar drie karakters tegelijk kan besturen. Bij aanvang van de singleplayer storymode kan je kiezen uit een van de vier verschillende teams, waarbij het team met Sonic, Knuckles en Tails van de meeste mensen de voorkeur zal krijgen. Elk van de teams zal ongeveer dezelfde levels doorlopen, al heeft Sega wel de moeite genomen het verhaal op een aantal punten aan te pa en.

Hoewel je drie karakters tegelijk bestuurt, is er altijd één karakter de leider en over dit karakter heb je directe controle. Je hebt steeds de keuze uit een drietal formaties: speed, power en fly. In de speedformatie gaat Sonic voorop en zal je hogere snelheden kunnen behalen. In de Power formatie neemt Knuckles het voortouw en kan je flinke stoten uitdelen om rotsblokken uit de weg te ruimen. Kies je Tails als je leider, dan zal je kunnen vliegen om zo over bepaalde obstakels of gaten heen te komen. Elk van de drie karakters heeft ook een andere aanvalsmethode welke door het verkrijgen van ervaringspunten ook nog eens sterker gemaakt kan worden.

Ondanks dit nieuwe concept is de typische Sonic feel van destijds in overvloed aanwezig, meer zelfs dan in de Sonic Adventure games. Toch heeft dit niet allemaal positief uitgepakt want op een aantal punten is men te trouw gebleven aan de kla iekers van weleer. Zo kent het spel een groot aantal afgronden die voor een directe dood zullen zorgen, waardoor je vanaf de laatste checkpoint opnieuw kan beginnen. Al je ringetjes, punten en ervaring raak je dan kwijt, waardoor je een goede rating aan het eind van het level kan vergeten. Ook werkt het spel helaas nog met het achterhaalde principe van 'levens', wat inhoudt dat je een level een keer of vijf mag proberen, waarna je niet meer bij de laatste checkpoint, maar helemaal aan het begin van het level opnieuw mag beginnen.