In Sonic Generations neemt de speler de controle over van zowel de klassieke als de moderne Sonic. De levels met de klassieke Sonic zijn gebaseerd op de momentum-gameplay uit de Sonic-games voor Sega Mega Drive terwijl de gameplay van de moderne Sonic vergelijkbaar is met die van de Sonic Rush-delen en Sonic Colours. 

Het spel kent afgezien van de klassieke Green Hill Zone en Casino Night Zone uit Sonic the Hedgehog 2 volledig nieuwe levels. Waar de spelcomputerversies van Sonic Generations een groot aantal personages bevatten, bevat de 3DS-versie enkel personages die van belang zijn voor het verhaal. Sonic and the Black Knight-director Tetsu Katano heeft de leiding over de ontwikkeling van de 3DS-versie.