Podczas wizyty na wyspie Flicky, Sonic zauważa, że Flickies, jego małe pióropusze przyjaciółki, które potrafią podróżować między równoległymi światami, zostały schwytane i zamienione w badników (robotyczne wrogie jednostki Sonica) przez dr. Robotnika w jego niekończącym się poszukiwaniu Chaos Emeralds. Siedem poziomów dzieli Sonica od ostatecznej konfrontacji z Robotnikiem.

Sonic 3D był ostatnim tytułem z serii Sonic wydanym na konsolę Mega Drive, jedyną obecnością niebieskiego jeża na Sega Saturn oraz jednym z jego rzadkich wystąpień na komputerach osobistych. Tytuł, biorąc pod uwagę czas, w którym został wydany, jest nieco mylący, ponieważ zamiast pełnokrwistych grafik 3D, używa widoku izometrycznego, w którym Sonic może poruszać się nie tylko do przodu i do tyłu, ale także w lewo i w prawo. Pomimo pewnych wad, odniosła ogromny sukces i zyskała dużą popularność na konsoli Sega Saturn i na PC. Dla tych, którzy już się znudzili "fałszywym 3D" w Mega Drive, nie znajdą zbyt wiele nowości w tej grze. Dla tych, którzy nigdy nie grali w Sonic 3D Blast, najwyższy czas to nadrobić!

Gra nie różni się istotnie od wersji na PC. Jednak wersja na Mega Drive... ma bardziej dopracowane otoczenie. Już na pierwszy rzut oka można zauważyć różnicę patrząc na podłogę poziomów. Na przykład, w Rusty Ruins, podłoga ma pewne wady. Kiedy na nie stąpasz, podłoga może trochę się podnieść lub opaść. Ścieżka dźwiękowa jest lepsza niż w Mega Drive, efekty dźwiękowe są bardziej cyfrowe. Każda strefa ma teraz inną muzykę, która doskonale pasuje do otoczenia, a także jest wysokiej jakości. Ogólnie grafika jest bardziej "lekka", bez obecności wielu pikseli na tle i postaciach. Są także efekty kosmetyczne. Po zatrzymaniu gry można zobaczyć mapę poziomu i dowiedzieć się, gdzie się znajdujesz. Poza tym, poziomy zostały ulepszone, są strefy, w których nawet pada deszcz! Ekran tytułowy uległ zmianie, a jest także krótki i sympatyczny film przedstawiający grę.

Rozgrywka jest znacznie wolniejsza w porównaniu do innych gier z serii, a liczba badników została ograniczona do pięciu w każdej sekcji. Jak zwykle, gdy Sonic zniszczy jednego badnika, zwierzątko wyskakuje z jego wnętrza, ale tym razem Sonic musi je podnieść i poprowadzić do międzywymiarowego pierścienia. Choć można je zbierać pojedynczo, eksplorując poziom z wszystkimi pięcioma, gracz może dotrzeć do niedostępnych w inny sposób żetonów kontynuacji. W przeciwieństwie do wszystkich poprzednich gier, czas nie jest wymogiem: jeśli gracz ukończy poziom w więcej niż 10 minut, oznacza to jedynie brak premii czasowej na końcu. Aby zdobyć wszystkie siedem Chaos Emeralds, Sonic musi najpierw znaleźć Tailsa lub Knucklesa i zaoferować im co najmniej 50 pierścieni.