L'histoire est dans la continuité des deux épisodes Sonic Adventure, mais la mécanique et la forme du jeu s'en éloignent, revenant à l'ambiance des premiers jeux Megadrive, à savoir des niveaux thématisés qui s'enchainent et plus de linéarité comme ce fut le cas sur les premiers épisodes en 2D.
Dans Sonic Heroes, le joueur a le choix entre quatre histoires où, dans chacune d'entre elles, intervient une « team » composée de trois membres avec lesquels le joueur joue simultanément et entre lesquels il peut alterner en cours de niveau en fonction des aptitudes dont il a besoin : la Team Sonic (Sonic, Tails et Knuckles), la Team Dark (Shadow, Rouge et E-123 Oméga), la Team Rose (Amy, Cream et Big) et la Team Chaotix (Vector, Espio et Charmy).
