Ao descobrir um elemento conhecido como Ragnium, o Dr. Eggman começa a explorá-lo, prejudicando o meio ambiente no processo. Ele usa-o para criar robôs que podem alegadamente ficar à frente de Sonic e seus amigos. Entretanto, o D-FEKT, um robô deixado por Eggman para procurar o Ragnium, começa a usar os seus poderes magnéticos para tentar tornar-se mais poderoso. Sonic e seus amigos tentam parar Eggman e D-FEKT e restaurar o equilíbrio ecológico. Como seu predecessor, Sonic Boom: Fire & Ice, é um jogo de plataforma de rolagem lateral no qual Sonic e seus companheiros têm que navegar através de diferentes níveis. Além de Sonic, Tails, Knuckles, e Sticks, Amy foi adicionada como personagem jogável. Os jogadores podem alternar entre personagens à vontade para usar as suas habilidades únicas. Uma grande novidade neste jogo é a adição de elementos de fogo e gelo, que se aplicam tanto ao ambiente como às habilidades das personagens. Por exemplo, Sonic pode acumular calor com fogo para quebrar blocos de gelo ou cercar-se de gelo para congelar água. O jogo também oferece diferentes níveis especiais, mini-jogos bónus, salas de desafios e um modo local para 2 jogadores.