Найпростіший спосіб описати Sonic & SEGA All-Stars Racing – назвати її клоном Super Mario Kart. Але замість відомих персонажів Nintendo, таких як Маріо та Боузер, гравці використовують Соніка, Біллі Хетчера, доктора Еггмана та ще 17 більш-менш відомих персонажів із бібліотеки ігор SEGA.
Основний геймплей залишається незмінним: у звичайній гонці гравцеві доведеться змагатися з сімома іншими гонщиками, використовуючи як свої гоночні навички, так і один з різних бонусів, розкиданих по трасі, наприклад, боксерську рукавичку, щоб збивати з дороги гонщиків попереду, або міни, щоб знищувати переслідувачів. Оскільки всі автомобілі їдуть з однаковою швидкістю, незалежно від того, якому персонажу вони належать, для того, щоб зайняти перше місце, найважливіше зарядити прискорення, здійснюючи дріфт. Також доступні трюки, які дають змогу отримати доступ до турбо-бусту. Але рішення про те, якого гонщика та автомобіль використовувати, впливає на те, які All-Star-Action доступні гравцеві. У той час як їжачок Сонік на короткий час перетворюється на Супер Соніка, що дає йому більшу додаткову швидкість, Біллі Хетчер викладає на трасі яєчну шкаралупу, щоб перешкодити своїм переслідувачам. Як і всі інші бонуси, All-Star-Action необхідно спочатку зібрати на трасі, перш ніж використати.
У грі є кілька різних ігрових режимів. В одиночній грі гравець може проходити випробування на час, одиночні заїзди, Гран-прі або одну з декількох десятків місій, які доступні і вимагають від гравця виконання безлічі різних цілей, крім простої першості в гонці. Ці цілі включають використання одного довгого дрифту, щоб дістатися до фінішу, перевернути якомога більше ворон або дістатися до фінішу, не зруйнувавши жодного горщика, і багато іншого.