Самый простой способ описать Sonic & SEGA All-Stars Racing - назвать ее клоном Super Mario Kart. Но вместо известных персонажей Nintendo, таких как Марио и Боузер, игроки используют Соника, Билли Хэтчера, доктора Эггмана и еще 17 более или менее известных персонажей из библиотеки игр SEGA.
Основной геймплей остается неизменным: в обычной гонке игроку предстоит соревноваться с семью другими гонщиками, используя как свои гоночные навыки, так и один из различных бонусов, разбросанных по трассе, например, боксерскую перчатку, чтобы сбивать с дороги гонщиков впереди, или мины, чтобы уничтожать преследователей. Поскольку все автомобили едут с одинаковой скоростью, независимо от того, какому персонажу они принадлежат, для того, чтобы занять первое место, важнее всего зарядить ускорение, совершая дрифты. Также доступны трюки, позволяющие получить доступ к турбо-бусту. Но решение о том, какого гонщика и автомобиль использовать, влияет на то, какие All-Star-Action доступны игроку. В то время как ежик Соник на короткое время превращается в Супер Соника, что дает ему большую дополнительную скорость, Билли Хэтчер выкладывает на трассе яичную скорлупу, чтобы помешать своим преследователям. Как и все остальные бонусы, All-Star-Action необходимо сначала собрать на трассе, прежде чем использовать.
В игре есть несколько различных игровых режимов. В одиночной игре игрок может проходить испытания на время, одиночные заезды, Гран-при или одну из нескольких десятков миссий, которые доступны и требуют от игрока выполнения множества различных целей, помимо простого первенства в гонке. Эти цели включают в себя использование одного длинного дрифта, чтобы добраться до финиша, перевернуть как можно больше ворон или добраться до финиша, не разрушив ни одного горшка, и многое другое.