Sonic Heroes знаменует собой первое значительное изменение в продолжительной франшизе SEGA со времен игры Sonic Adventure 1999 года на Dreamcast. Как и в серии Sonic Adventure, уровни изображены в 3D с точки зрения персонажа. Однако, в отличие от Sonic Adventure и предыдущих игр Sonic, игроки управляют командой из трех персонажей в красочных мирах. Доступно в общей сложности четыре команды, которые состоят из участников предыдущих игр Sonic the Hedgehog, начиная с оригинала 1991 года и заканчивая Sonic Advance 2 2003 года на Game Boy Advance.
Команда Соника состоит из лисенка Тейлза, ехидны Наклза и самого ежа Соника, в то время как команда Тьмы представлена ежом Шэдоу, летучей мышью Руж и роботом E-123 Омега. В состав команды Роуз входят ежиха Эми Роуз, крольчиха Крим с ее питомцем Чизом и кот Биг, а хамелеон Эспио, пчела Чарми и крокодил Вектор замыкают команду Хаотикс. Каждый персонаж имеет индивидуальную особую атаку и является специалистом в одном из трех командных типов: скорость, сила и полет. Игроки регулярно переключаются между персонажами в своей команде, чтобы выполнять задания и помогать продвигаться по 14 уровням игры. Конечная цель, как бы шокирующе это ни звучало, состоит в том, чтобы найти и противостоять доктору Эггману, который воскресил и улучшил Метал Соника.
Каждый уровень наполнен множеством возможностей воспользоваться отличительными чертами любого персонажа, будь то удар молота Эми или пулемет Омеги. Использование скоростного типа позволяет игрокам быстро продвигать трио по штопорным петлям или по самым быстрым маршрутам через уровни, в то время как силовой тип лучше всего подходит для противостояния врагам или для выявления скрытых областей, разбивая препятствия. Тип полета переносит действие в воздух, чтобы достичь новых областей или атаковать летающих существ, бросая двух других персонажей, как снаряды.
Чтобы стимулировать повторные прохождения, игра предлагает несколько отличающиеся варианты 14 уровней в зависимости от того, какая команда выбрана. Есть также новые цели, ролики и концовки, характерные для каждой команды, не говоря уже о специальном бонусе, присуждаемом игрокам, которые завершают игру со всеми четырьмя отрядами.