Gra nie traktuje poważnie realistycznego modelu jazdy i zamiast tego stawia na czysto zręcznościową zabawę. Bohaterowie ścigają się za pomocą pojazdów potrafiących przeobrażać się w samochody, statki lub łodzie motorowe - to nowość nieobecna w poprzedniej odsłonie. Poprzez spektakularną i stylową jazdę nabijamy pasek All-Star, który po wypełnieniu umożliwia skorzystanie z szeregu ruchów specjalnych. Twórcy zadbali ponadto o szeroki wybór uzbrojenia i wiele różnorodnych trybów rozgrywki.

Wprowadzenie samochodów, które potrafią transformować się w łodzie i samoloty pozwoliło twórcom na znaczne urozmaicenie tras. Podobnie jak w przypadku poprzedniej części, wszystkie dostępne tory zostały zainspirowane klasycznymi grami wyprodukowanymi przez firmę Sega. Wśród tras znajdziemy m.in. świątynię z Super Monkey Ball czy oparty na Panzer Dragoonsmoczy kanion.

Autorzy zaoferowali sporą ilość grywalnych postaci, wśród których znajdziemy zarówno Sonica, jak i jego przyjaciół oraz wrogów. Gościnie występują też bohaterowie z innych serii, w tym m.in. Gilius Thunderhead z Golden Axe oraz znany z Skies of Arcadia Vyse.

Sonic & Sega All-Stars Racing Transformed oferuje zarówno zmagania w trybie solo, jak i opcję wieloosobową. Poza standardowymi wyścigami sieciowymi dostępne się m.in. zawody na zamkniętych arenach. W przypadku podzielonego ekranu jednocześnie mogą się bawić maksymalnie cztery osoby. Natomiast w trybach sieciowych uczestniczy naraz do ośmiu zawodników.