Во время посещения острова Флики Соник замечает, что Флики, его маленькие пернатые друзья, которые могут путешествовать между параллельными мирами, были захвачены и превращены в бадников (роботов-врагов Соника) доктором Роботником в его бесконечных поисках Изумрудов Хаоса. Семь уровней отделяют Соника от финальной схватки с Роботником.
Sonic 3D стала последней игрой про Соника, выпущенной для Mega Drive, единственным платформером, в котором присутствовало синее пятно на Sega Saturn, и одним из его редких появлений на персональных компьютерах. Название игры, учитывая эпоху, когда она была выпущена, несколько вводит в заблуждение, поскольку вместо полноценной 3D-графики в ней используется изометрический вид, где Соник может двигаться не только вперед и назад, но и влево и вправо.
Геймплей значительно медленнее, чем в других играх серии, а количество бэдников сокращено до пяти в каждой секции. Как обычно, когда Соник уничтожает одного бэдника, из его внутренностей выпрыгивает животное, но на этот раз Соник должен подхватить его и привести их к межпространственному кольцу. Хотя их можно брать по одному, исследование уровня со всеми пятью позволяет игроку добраться до недоступных в других случаях жетонов продолжения. В отличие от всех предыдущих игр, время не является обязательным условием: если игрок завершит уровень более чем за 10 минут, это будет означать лишь отсутствие бонуса времени в конце. Наконец, чтобы собрать все семь изумрудов Хаоса, Соник сначала должен найти Хвоста или Наклза и предложить им не менее 50 колец.