Sega's Mega Drive had meerdere add-on hardware opties, waaronder de Sega CD. Sonic CD is een game die je speelt met de Sega CD. Deze unieke titel legt een focus op verkenning en puzzelgerichte baasgevechten. Sonic's Spin Dash is anders en vereist een specifieke timing om te starten.
Als alternatief op de Spin Dash kan je de nieuwe 8-vormige Peel-out vaardigheid gebruiken. Daarmee kan Sonic direct topsnelheid bereiken.

De grote game mechanic van dit spel is tijdreizen. Door een "Past" (verleden) bord te draaien kan je daarna, als je een tijdje Sonics topsnelheid aanhoud, naar het verleden reizen.

In het verleden kan Sonic hologramprojecties vernietigen van Metal Sonic. Je kunt ook machines vinden en vernietigen, door deze te vernietigen zullen alle badniks weggaan en kan je een goede toekomst garanderen.

Als je er niet in slaagt het verleden te bevrijden, dan kom je in een slechte toekomst terecht. 

Naast bordjes met "past" heb je ook bordjes met "future", waarmee je ook kan tijdreizen, maar dan naar de toekomst. maar hier kan je de machines niet vernietigen, en als je in de slechte toekomst terecht komt zullen er veel badniks aanwezig zijn. 

Als het niet lukt alle machines te vernietigen, kan je er ook voor kiezen om aan het einde van elke act door de reuzenring te springen. Deze verschijnt alleen als je 50 ringen hebt. Via deze reuzenringen verdien je een tijdsteen. Verzamel ze alle 7 als alternatieve manier om een goede toekomst te krijgen.

Nieuw in de serie is de Time Attack-modus, die daagt de speler uit met de verschillende acts binnen bepaalde tijd voltooien. 

Het verhaal
Eén maand per jaar verschijnt de mysterieuze Little Planet verschijnt boven Never Lake. Dr. Eggman hoorde over de tijdstenen die daar verborgen zijn en ketende een asteroïde (gevormd naar Dr. Eggman zelf) naar een nabijgelegen berg. 

Net als Sonic arriveert, wordt hij ontdekt door Amy Rose. Haar fortuinkaarten vertelde haar dat ze een ontmoeting zou hebben met haar geliefde en held, maar de gebeurtenissen nemen een onverwachte wending wanneer Metal Sonic haar ontvoert. Sonic rent weg om Amy en Little Planet te redden.