Ежик Соник и его подруга Эми Роуз отправляются на озеро Невер только для того, чтобы обнаружить там легендарную Маленькую Планету, закованную в цепи и покрытую металлом. Похоже, что заклятый враг Соника, доктор Эггман, использует силы планеты, чтобы манипулировать тканью времени. Он создал злого двойника Соника, Металлического Соника, который похищает Эми и исчезает. Теперь отважный ежик должен исследовать Маленькую Планету, собрать семь драгоценных камней, способных изменить ход времени, освободить Эми и победить Металлического Соника вместе со своим хозяином.
Sonic CD - это динамичный платформер с боковой прокруткой, похожий по игровому процессу на другие части серии. Соник использует свои запатентованные вращательные атаки, чтобы уничтожить приспешников доктора, и собирает различные предметы, такие как защитные кольца, щиты и скоростные ботинки. Его специальные атаки включают в себя Спин-Тире и Супер-Пилинг. Отличительной особенностью геймплея этой части является способность Соника путешествовать в прошлые и будущие версии этапов, которые он проходит. В зависимости от действий игрока в прошлой версии уровня будущие версии (которые содержат обязательных врагов-боссов) изменятся с "плохих" на "хорошие", имея больше или меньше врагов и препятствий соответственно.
Камни времени можно собрать, пройдя специальные этапы, в которых Соник должен стрелять по НЛО в течение отведенного времени. "Хорошего" конца игры можно достичь, либо собрав все семь Камней Времени, либо превратив все будущие версии уровней в "хорошие". В игре есть функции, которые используют преимущества формата CD, такие как аудио с компакт-диска, видеоклипы и множество уровней (всего более пятидесяти).