Sonic Heroes es un juego de plataformas de acción en 3D en el que el jugador toma el control de 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 derrotas enemigos y recolectas 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 el juego:
- Team Sonic es la dificultad intermedia con Sonic (velocidad), Tails (volar) y Knuckles (poder).
- Team Shadow es la dificultad difícil con Shadow (velocidad), Rogue (volar) y E-123 Omega (poder).
- Team Rose es la dificultad fácil con Amy (velocidad), Cream (volar) y Big (poder).
- Team Chaotix presenta nuevos objetivos basados en misiones con Espio (velocidad), Charmy (volar) y Vector (poder).
El juego cuenta con 4 modos:
- Modo Historia, que brinda a los jugadores la oportunidad de jugar a través de niveles a medida que avanza la historia.
- Modo Desafío, que brinda a los jugadores la oportunidad de volver a jugar niveles que hayan superado previamente en el Modo Historia
- Battle Mode, un modo multijugador donde los jugadores pueden competir o luchar entre sí
- Modo Tutorial, enseñando a los jugadores los conceptos básicos del juego.