
Ocho meses después de ser derrotado y desterrado del planeta Tierra hacia el Mundo Hongo por parte del erizo velocista azul Sonic, el malvado Doctor Ivo Robotnik está tratando de encontrar una forma de como escapar de aquel desolado planeta al cual fue desterrado previamente y empieza a enviar unas señales de auxilio hacia el espacio exterior, las cuales rápidamente son recibidas por un grupo de cazadores alienígenas que aparecen por un portal anillo hasta su ubicación, los cuales quedan inconscientes debido a las múltiples trampas que el malvado científico colocó. Sin embargo antes de llegar al portal, un equidna antropomórfico de color rojo sale del mismo y le pregunta a Robotnik donde consiguió la espina de color azul que sostiene en su mano y sin rodeos Robotnik le menciona que este puede ayudarlo a llegar a la fuente si lo desea, pero con la condición de que este equidna rojo lo ayude a salir del Mundo Hongo.
Mientras tanto, viviendo ahora con el matrimonio Wachowski y con ganas de probar su valía como un héroe, vigilante y justiciero a costa de ellos, Sonic trata de utilizar sus poderes para ayudar a los demás en su nueva vida, aunque tiene poco éxito en lograrlo ya que su imprudencia lo estorba en hacer su tarea. Durante una salida de pesca, Sonic discute con Tom sobre el tema luego de saber que se escabulló a Seattle y destruyó una manzana entera al detener un robo, pero sin embargo le contesta que aún no es tiempo de poner a prueba su valor y que cuando la necesidad lo requiera, será el momento de actuar. Unos días después Tom y Maddie acuerdan dejar a Sonic solo en la casa, mientras ellos se van de vacaciones el fin de semana debido al matrimonio de su cuñada Rachel en Hawái. Cuando se van, el erizo se divierte a lo grande hasta la noche, pero su tiempo a solas se interrumpe cuando inesperadamente el malvado Robotnik irrumpe en la casa. En ese instante Sonic trata de atacarlo, pero termina en combate con el nuevo aliado de Robotnik, a quien le presenta como Knuckles. Durante la pelea el erizo velocista se ve superado debido a la inmensa fuerza de su adversario y este le comenta que planea vengar a su tribu Pachacamac extinta por los crímenes de Longclaw, pero antes de acabarlo, una patrulla de policía irrumpe en el jardín y atropella a Knuckles noqueándolo por un momento, a lo que Sonic aprovecha la situación para escapar del lugar.
El conductor se presenta como un zorro antropomórfico amarillo con dos colas llamado Miles «Tails» Prower, un genio de la robótica quien estuvo vigilandolo desde la vez que causó el pulso electromagnético que apagó todo el Noroeste del Pacífico y que es un gran fan de este e incluso lo idólatra, quien vino a advertirle sobre la amenaza de Knuckles, el cual quiere saber la ubicación secreta de la «Esmeralda Maestra», pero su reunión es súbitamente interrumpida por Knuckles, el cual lo viene persiguiendo de cerca. Para escapar del equidna rojo, Tails hace que el auto patrulla se descarrile por un acantilado y mientras que Knuckles se aferra con sus puños en la montaña, el dúo de amigos se van volando por la habilidad de Tails de usar sus colas como una hélice. Consiguiendo refugio con el amigo policía de Tom, Wade, el dúo encuentra en el mapa de mundos de Sonic un mensaje grabado por su guardiana fallecida Longclaw, quien le dice que le ha confinado la tarea de proteger la Esmeralda Maestra y le da las pistas que lo dirigirán a un templo oculto en el este de Siberia y Sonic convence a su nuevo amigo de acompañarlo en su misión prometiendo que lo protegerá. Luego de llegar a un establecimiento en las montañas y haber armado un espectáculo de baile para evitar ser asesinados por los comensales, Tails se emociona cuando Sonic se refiere a él como un amigo, y le resume como el verlo lo inspiró a abandonar la aldea donde era considerado raro debido a sus dos colas para ayudarlo, y Sonic le afirma que le da gusto que este a su lado.
Mientras tanto, Robotnik y Knuckles se reúnen con el agente Stone, quien ha pasado su tiempo esperando su regreso en un café-guarida y planeando robar la esmeralda para sí mismo a costa suya, el científico acepta a ayudar al equidna en su plan de venganza. Es entonces que Robotnik hace bajar a la Tierra una estación espacial, se cambia de traje y reúne un ejército de robots y drones para dar caza a sus enemigos, ahora bajo el nombre de Doctor Eggman. Ya en el templo, Sonic y Tails descubren la historia y origen de la Esmeralda Maestra: la tribu ancestral de Knuckles creó con las 7 Esmeraldas Caos y guardó en su posesión la codiciada esmeralda con el poder de construir y destruir civilizaciones, la cual querían usar para iniciar una invasión universal, sin embargo, su principal tribu enemiga, los Nocturn (la tribu de Longclaw), invadieron su hogar con el fin de llevarse la esmeralda y protegerla de las manos equivocadas, lograndolo con éxito. También descubren una vieja brújula que guiaba a su ubicación, pero son interrumpidos por la llegada de Eggman y Knuckles. Para escapar, Sonic se desliza montaña abajo con una parte de un dron que destruyó mientras que Tails se va por aire, pero Knuckles y los drones lo persiguen, causando que pierda todos sus anillos en el proceso.
En una pausa, el equidna rojo le cuenta al erizo azul que la razón de ser el centro de su venganza es porque, horas antes de que fuese teletransportado al planeta Tierra, los guerreros de su tribu Pachacamac se enlistaban para darle caza a él y Longclaw, pero en ese momento un pequeño Knuckles también deseaba participar de la campaña con el resto de la tribu, sin embargo su padre lo detiene de ir con ellos y le menciona que su momento de brillar aún no llegaba y que muy pronto lo hará, pero que por ahora debía esperar en casa hasta que la tribu volviera de la campaña, desafortunadamente para el pequeño equidna rojo en ese momento estas fueron las últimas palabras que le dijo su padre, ya después de eso nunca más lo volvió a ver ni al resto de su tribu Pachacamac por lo que el pequeño equidna rojo se quedó huérfano. En ese momento, Sonic le comenta que ambos lo perdieron todo ese día y deja algo confuso a su oponente, cosa que Tails aprovecha para intentar atrapar al guerrero sin éxito y Sonic le arroja la brújula para escapar, sin embargo, Eggman la intercepta en pleno vuelo y a su vez deja inconsciente a Tails con sus misiles, y para empeorar las cosas, esto provoca una avalancha poniendo en peligro al dúo mientras que los villanos se escapan.
Estando en riesgo y sin anillos, Sonic llama a Tom en mitad de la ceremonia y le pide abrir un portal para llegar con él, aunque esto interrumpe la boda puesto que los anillos mágicos los usaron por error para la pareja, y al abrir el portar el dúo y parte de la nieve inundan el altar. Luego de darles un resumen de lo que estaba ocurriendo, las cosas se complican cuando los invitados y el prometido de Rachel, Randall, se revelan como agentes secretos de las unidades de fuerzas nacionales, «G.U.N», creada después del incidente de San Francisco y que la boda fue una trampa para terminar capturando a Tom, Tails y Sonic, pero son rescatados poco después por Maddie mientras que Rachel confronta a Randall y al general, y el erizo se dirige al templo de la Esmeralda Maestra, dejando a Tails en cuidado de los humanos queriendo que no salga lastimado.
Mientras tanto, Eggman y Knuckles levantan de las profundidades del mar un antiguo templo que contiene la Esmeralda Maestra y atraviesan un laberinto de trampas mortales para llegar finalmente a la Esmeralda Maestra a la par de Sonic, quien llega justo a tiempo para detenerlos, aunque Eggman planeaba secretamente traicionar a Knuckles segundos antes. Se inicia otra batalla entre el erizo y el equidna, y antes de que pueda acabarlo, Sonic le hace ver a Knuckles que Eggman sólo lo estaba utilizando. Cuando el científico logra llevarse la esmeralda, este se teletransporta a Green Hills y el lugar empieza a derrumbarse por el agua, y Sonic salva a Knuckles de ahogarse cuando una roca le cae en plena inundación, y antes de que el también se ahogue el equidna le devuelve el favor. Luego de conversar sobre las palabras que le dijo Tom a Sonic los rivales acuerdan hacer equipo para detener los planes de Eggman y son rescatados por Tails, quien llega volando en un avión que se usó para la ceremonia.
De vuelta en Green Hills, Eggman llega y libera a Stone, quien estaba siendo interrogado por Wade en el café, a la vez que las fuerzas armadas de G.U.N llegan para detenerlo, sin embargo, el científico ya había absorbido la esmeralda mágica y obtenido el poder para manipular el tiempo y la realidad a su antojo. Al salir del lugar, y luego de derrotar con facilidad a los militares, utiliza partes de sus vehículos y edificios para crear un robot gigante de su misma apariencia, el Death Egg Robot. Mientras tanto Sonic, Tails y Knuckles llegan al lugar y combaten contra el robot y los drones que destruyen la ciudad, pero aun así se ven superados en armamento y poder. Luego los tres idean un plan haciendo que Sonic sea la carnada, pero mientras que Tails y Knuckles secretamente se infiltran en el robot y le arrancan la esmeralda a Eggman, el erizo se encuentra casi desgastado para seguir peleando y Eggman aprovecha la oportunidad para asesinarlo, sin embargo Tom y Maddie se aparecen al volante de un auto y lo rescatan en el último segundo, pero durante el escape el auto se destruye y la Esmeralda Maestra se rompe al perder toda su energía revelando la fuente de su inmenso poder, las Esmeraldas Caos, las cuales se fusionan con el cuerpo de Sonic justo antes de que este fuese aplastado y le dan un nuevo poder y una nueva transformación conocida como Super Sonic.
Con este nuevo poder, el erizo logra destruir con éxito el Death Egg, para disgusto de Eggman quien cae a su aparente muerte. Ya fuera de todo peligro y después de regresar a la normalidad a Sonic, Knuckles logra reparar la Esmeralda Maestra y jura el deber de protegerla junto a Sonic y Tails. Tiempo después la familia Wachowski se incrementa con la inclusión de Knuckles y Tails, mientras que estos juegan un partido de béisbol y Sonic conmueve a Tom al aceptarlo como su padre. Al terminar, todos se van en el auto de Tom y Sonic regresa por la Esmeralda Maestra, la cual habían olvidado dentro de una hielera en el campo.
En una escena a mitad de los créditos, las fuerzas armadas de G.U.N se encuentran explorando los restos del Death Egg en búsqueda de Eggman, entre los cuales esta Stone infiltrado, pero no encuentran rastros del paradero de este por ninguna parte del área, aunque estos también dudan de que Eggman haya sobrevivido al combate. En ese momento, una soldado le avisa a su general que mientras borraban toda la información sobre Robotnik de la primera vez, estos habían descubierto unos archivos en particular que hablan de un proyecto ultra secreto y desconocido que los lleva a recalar a una antigua prisión secreta que contiene a un experimento que tiene más de 50 años de antigüedad, al cual se le conoce bajo el nombre de Proyecto Shadow: un erizo antropomórfico de color negro con franjas de color rojo que está encerrado en una cápsula de criogenización de dichas instalaciones, pero poco después la escena muestra como este erizo negro se despierta de su largo sueño criogénico.