Действие Sonic Colors: Ultimate разворачивается во вселенной Соника, а сама игра представляет собой динамичную аркаду. Доктор Эггман снова стремится завладеть миром и возводит в космосе огромный парк аттракционов. Для его энергоснабжения он ловит виспов — инопланетян. Игрок берёт под управление легендарного синего ежа: преодолевает ловушки и преграды, освобождая пленников.

В игре шесть необычных миров. В каждом предстоит спасать виспов с разными уникальными способностями; освободив инопланетянина, можно узнать о его свойствах. Помимо сюжетной кампании есть множество испытаний и ещё один режим.

Механики приключения в остальном похожи на предыдущие игры о Сонике. Ёж несётся по уровням на большой скорости и собирает кольца, перепрыгивает пропасти, поднимается на высокие платформы и сражается с врагами. С каждым следующим миром появляются новые препятствия и уникальные противники. По ходу игры можно встретить многих знакомых персонажей серии, в том числе Майлза Прауэра, известного как Тейлз, ехидну Наклза, ежа Шэдоу и злодея доктора Эггмана.