В Sonic Lost World, во время погони за Эггманом, главный герой отправляется в мир Lost Hex, подвешенный в небесах. Там, в результате определенных событий, появляется группа из шести злодеев, желающих высосать живительную энергию из мира внизу. Цель пушистого персонажа становится ясной - он должен остановить их любой ценой.

Во время прохождения Соник проходит через регионы Lost Hex, пытаясь спасти друзей, похищенных Эггманом, и остановить так называемых "Шесть Убийц". Уровни здесь имеют разнообразный характер - в некоторых наблюдается стремительное движение благодаря камере, размещенной за спиной персонажа, в других она сбоку, как в прокручиваемых платформерах.

Новая функция - возможность контролировать скорость Соника. Игрок решает, когда он должен замедлиться или ускориться, что позволяет преодолевать некоторые препятствия на пути. Кроме того, есть двойной прыжок, атака с помощью самонаводящихся ракет и удар, позволяющий побеждать сильных противников. У синего ежа также есть умение Wisp. Оно имеет различное применение, полезно при прокачке уровня или борьбе с врагами. Также стоит упомянуть красные кольца - их наличие дает возможность превратиться в Супер-Соника.

Игра предлагает совместное прохождение и соревнование для двух игроков, также используется "Miiverse", что позволяет обмениваться предметами с другими пользователями через Интернет. В 3DS, в свою очередь, есть мультиплеер до четырех человек, где используются радиоуправляемые транспортные средства, которые можно модифицировать по усмотрению.