Sonic Heroes - це 3D екшн-платформер, у якому гравець керує командою з 3 персонажів, кожен з яких має особливі здібності - швидкість, політ і силу. Мета гри - пройти рівні якомога швидше, перемагаючи ворогів і збираючи кільця. Ваш час, кільця і переможені вороги складають систему очок, а більша кількість очок означає вищий ранг на рівні.
У грі є 4 команди персонажів, кожна з яких вносить свої зміни в ігровий процес:
- Команда Соніка - середня складність, у якій беруть участь Сонік (швидкість), Хвіст (політ) і Наклз (сила).
- Команда Шедоу - складна складність, у якій беруть участь Шедоу (швидкість), Роуг (політ) і E-123 Omega (сила).
- Команда Роуз - легка складність, у якій беруть участь Емі (швидкість), Крим (політ) і Біг (сила).
- Команда Chaotix - нові місії з Еспіо (швидкість), Чармі (політ) і Вектором (сила).
У грі представлено 4 режими:
- Режим сюжету, що дає гравцям можливість проходити рівні в міру розвитку сюжету.
- Режим випробування, що дає гравцям можливість переграти рівні, які вони вже пройшли в режимі сюжету.
- Режим битви - багатокористувацький режим, у якому гравці можуть брати участь у перегонах або битися один з одним.
- Режим навчання, що навчає гравців основ гри.