Під час відвідування острова Флікі, Сонік помічає, що Флікі, його маленькі пернаті друзі, які можуть подорожувати між паралельними світами, були захоплені і перетворені на бадників (роботів-ворогів Соніка) доктором Роботніком в його нескінченних пошуках Смарагдів Хаосу. Сім рівнів відокремлюють Соника від фінальної сутички з Роботніком.
Sonic 3D була останньою грою про Соника, випущеною для Mega Drive, єдиним платформером синьої плями на Sega Saturn і однією з його рідкісних появ на персональних комп'ютерах. Назва гри, враховуючи епоху її виходу, дещо вводить в оману, оскільки замість повноцінної 3D-графіки в ній використовується ізометричний вид, де Сонік може рухатися не тільки вперед і назад, але і вліво і вправо.
Ігровий процес значно повільніший, якщо порівнювати з іншими іграми серії, а кількість лиходіїв зменшено до п'яти в кожній секції. Як завжди, коли Соник знищує одного бадника, тварина вистрибує, звільняючись від своїх нутрощів, але на цей раз Соник повинен підхопити його і привести їх до міжпросторового кільця. Хоча їх можна брати по одному, дослідження рівня з усіма п'ятьма дозволить гравцеві дотягнутися до недоступних інакше жетонів продовження. На відміну від усіх інших попередніх ігор, час не є обов'язковою вимогою: якщо гравець завершує рівень більш ніж за 10 хвилин, це означає лише те, що в кінці не буде ніякого бонусу часу. Нарешті, щоб зібрати всі сім Смарагдів Хаосу, Соник спочатку повинен знайти Хвостів або Кулаків і запропонувати їм не менше 50 кілець.