Sonic Heroes es un juego de acción y plataformas en 3D en el que el jugador controla un equipo de 3 personajes, cada uno con una habilidad especial: velocidad, vuelo y poder. El objetivo del juego es correr a través de los niveles lo más rápido posible mientras se derrotan enemigos y se recogen anillos. Tu tiempo, anillos y enemigos derrotados conforman un sistema de puntos, y más puntos significan un rango más alto en el nivel. Hay 4 equipos de personajes, cada uno con sus propios cambios en la jugabilidad:
- El equipo Sonic es la dificultad intermedia con Sonic (velocidad), Tails (vuelo) y Knuckles (poder).
- El equipo Shadow es la dificultad difícil con Shadow (velocidad), Rogue (vuelo) y E-123 Omega (poder).
- El equipo Rose es la dificultad fácil con Amy (velocidad), Cream (vuelo) y Big (poder).
- El equipo Chaotix presenta nuevos objetivos basados en misiones con Espio (velocidad), Charmy (vuelo) y Vector (poder).
El juego cuenta con 4 modos:
- Modo Historia, que da a los jugadores la oportunidad de jugar a través de los niveles mientras la historia avanza.
- Modo Desafío, que da a los jugadores la oportunidad de volver a jugar niveles que ya han superado en el Modo Historia.
- Modo Batalla, un modo multijugador donde los jugadores pueden correr o luchar entre sí.
- Modo Tutorial, que enseña a los jugadores los conceptos básicos del juego.