Sonic’s eerste uitje op het Nintendo DS-systeem bevat actie op twee schermen met een verhaal waarin Sonic betrokken raakt bij een van de andere kwaadaardige plannen van Dr. Eggman. Dr. Eggman laat een mysterieuze Emerald achter, maar een onbekend personage gaat ermee vandoor voordat Sonic het kan onderzoeken! Sonic zet de achtervolging in en zo begint het avontuur.
Speelbare personages in het spel zijn Sonic the Hedgehog en het nieuwe personage Blaze the Cat. Andere personages die voorkomen zijn Miles “Tails” Prower, Amy Rose, Cream the Rabbit en Knuckles the Echidna. Elk speelbaar personage heeft vier bewegingen en een verscheidenheid aan “Trick-acties” die, wanneer ze worden uitgevoerd, je Tension Gauge verhogen. Door de meter te vullen, kun je een Boost uitvoeren waarmee Sonic of Blaze met hoge snelheid over de grond of door de lucht wordt voortgestuwd om vijanden te verslaan of bepaalde blokken te verplaatsen.
Er zijn 14 levels die zich afspelen op zowel het bovenste als onderste DS-scherm, waardoor je een groter zicht op je omgeving krijgt. Je racet door de levels en verzamelt ringen, gebruikt ‘gimmicks’ zoals bungee-touwen en gigantische waterwielen, voert trucs uit, verzamelt power-ups en verslaat vijanden. Wanneer je elk level, of ‘act’, uitspeelt, word je geconfronteerd met een Boss Act die in 3D op het bovenste scherm wordt afgespeeld. Naast deze levels zijn er Special Stages. Deze worden gespeeld op het touchscreen en in tegenstelling tot de rest van het spel, hebben ze bediening met de stylus.
Na voltooiing van het spel is de Time Attack-modus beschikbaar. Hierin speel je levels/boss acts voor de beste tijdrecord. Battle Play is een multiplayer-modus waarin twee spelers strijden om als eerste een level te voltooien. Het kan worden gespeeld via single-card download of multi-card wireless.