Fabułę można oglądać z dwóch perspektyw - Sonica i Knucklesa.
Grając Soniciem próbujemy ponownie zniweczyć plany Doktora Eggmana, niszcząc Death Egg. Początkowo walka z Eggmanem wydaje się bezsensowna, jednak od poziomu Lava Reef można zobaczyć Death Egg wbite w ziemię (dowód na to, że w Sonic 3 nie został on całkowicie zniszczony). W grze cały czas przeszkadza Knuckles, jednak nie ma z nim prawdziwej interakcji aż do Hidden Sanctuary. Tam Sonic i Knuckles walczą ze sobą, a w tym czasie Doktor Eggman kradnie skarb, którego Knuckles miał pilnować - Master Emerald. Knuckles, zdając sobie sprawę, że został oszukany, pomaga Sonicowi. Sam będąc wycieńczony walką, nie jest w stanie iść dalej. W Sky Sanctuary obaj widzą Death Egg wyłaniające się z gęstych chmur. Sonicowi udaje się dobiec na szczyt sanktuarium i doskoczyć do Death Egg. W końcu dochodzi do walki Sonica z najsilniejszym robotem Eggmana - Egg Emperor Mk II. Robot ten zasilany jest energią Master Emeralda. Po pokonaniu robota Sonic ściga Eggmana próbującego uciec z Master Emerald. Jeśli gracz uzbierał podczas gry wszystkie 7 szmaragdów chaosu, ma szansę walki z prawdziwym finałowym bossem na poziomie Doomsday Zone. Walka odbywa się w kosmosie, gdzie Super Sonic ponownie ściga Eggmana uciekającego z Master Emerald. Po pokonaniu go, Sonic spada na ziemię wraz ze skarbem. Przed upadkiem ratuje go Tails w swoim samolocie. Razem lecą oddać szmaragd prawowitemu właścielowi (Knuckles). Jeśli gracz nie uzbierał szmaragdów, Sonic spada sam. Tails go ratuje i w tym wypadku, jednak po napisach końcowych widzimy Eggmana z Master Emeraldem, co sugeruje, że gra nie została w pełni ukończona
Fabuła Knucklesa ma miejsce po pokonaniu Eggmana przez Sonica. Można to wywnioskować po fakcie, że Eggman i Sonic nie występują podczas gry Knucklesem. Tutaj do czynienia mamy z robotem przypominającym Eggmana znanym jako EggRobo(podczas gry Soniciem występuje on w Sky Sanctuary jako zwykły wróg). Poziomy Knucklesa są nieco inne, generalnie trudniejsze. EggRobo zastępuje Eggmana w roli bossów, i jest od niego nieco trudniejszy. EggRobo usiłuje ukraść Master Emerald po porażce Eggmana. Gdy Knuckles dochodzi do Sky Sanctuary, zostaje schwytany przez EggRobo. Mecha Sonic usiłuje go zniszczyć, jednak Knucklesowi udaje się uciec, w efekcie czego Mecha Sonic niszczy EggRobo. Po porażce Mecha Sonic wskakuje na Master Emerald, zmieniając się w Super Mecha Sonic. Po pokonaniu go Knuckles spada w dół razem z Master Emerald. Zostaje uratowany przez Sonica lecącego w samolocie Tailsa. Zakończenie jest niezależne od tego, czy gracz uzbierał szmaragdy chaosu, czy nie.