La historia tiene lugar poco después de que sucediera el último encuentro de Sonic con Eggman en Sonic Colors. En el pasado, en Green Hill Zone, el Sonic Clásico está corriendo hasta que oye un ruido, no le da importancia y sigue corriendo; entonces aparece un monstruo cubierto de neblina negra de un portal y al percatarse, la pantalla queda en blanco. Mientras, en el presente (23 de junio de 2011), Tails y el resto de amigos de Sonic celebran su cumpleaños, hasta que el mismo monstruo que apareció en el pasado vuelve a aparecer y manda a todos excepto a Sonic a un portal, todos ellos de nuevo en diferentes períodos de la historia de Sonic. Sonic trata de atacarle, pero es fácilmente derribado por un golpe de su brazo, y se desmaya. Tails es el único que queda luchando por resistir el torbellino, pero no resiste y es absorbido también. Sonic despierta después de estar inconsciente en un sitio raro, Green Hill Zone, que se encuentra inexplicablemente incolora, y entra a investigar. Tails es liberado de su estado congelado cuando Sonic vuelve, y Sonic y Tails deciden ir explorar una planta química incolora de más adelante (Chemical Plant de Sonic 2). Sonic se pone en marcha con rapidez, pero unos segundos más tarde, Tails ve a Sonic Clásico y lo confunde con Sonic Moderno. Después, Sonic vuelve de la planta química y salva a Amy, Tails llega a Sonic y le dice que nunca olvidaría las características de aquel lugar (El desagradable olor y el agua rosa). Sonic está de acuerdo y dice que le da la sensación de que había estado antes. El Sonic Clásico y Metal Sonic, vigilante de una Esmeralda del Caos, entran en batalla en el futuro malvado de Stardust Speedway, y lo destruye. Más tarde, después de restaurar Sky Sanctuary y rescatar a Knuckles, aparecen zonas de desafío, las cuales dan acceso a tres llaves, cada una en una zona. Éstas llaves ponen en marcha unos engranajes situados más allá de Sky Sanctuary, y abren un portal a la zona de batalla de Sonic Clásico contra Death Egg. Al entrar los dos Sonic, se miran pensando que el cristal que hay allí es un espejo y que ambos Sonics son el uno el reflejo del otro, y luego, al oír a Eggman, el clásico va a por él, mientras que el moderno no puede reaccionar a tiempo. Al volver el Sonic Clásico de derrotar al Death Egg Robot, se ponen al día de los sucesos ocurridos, y van a la siguiente era para restaurar más zonas. Ésta era (llamada era Dreamcast ) se compone de Speed Highway, Escape City y Seaside Hill (con Ocean Palace e Hydrocity Zone de Sonic 3). El rival que nos encontraremos ahora será Shadow, al que tendremos que derrotar en la batalla de Final Rush. Las 3 llaves abren otro portal idéntico, con la diferencia de que solo entra el Sonic Moderno para volver a luchar con un mejorado, gracias al Time Eater (por lo que no ha usado las Esmeraldas del Caos) Perfect Chaos, al que tendremos que derrotar en Station Square 'de nuevo'. Después de la batalla contra Perfect Chaos, el Time Eater se dirige hacia ellos, pero le repele la Esmeralda que pertenecía a ese portal. Resulta que las vuelven a necesitar, y pueden conseguir 3 por vencer a jefes, 3 por vencer a rivales y una por terminar todos los actos. El Hub World acaba con la era Moderna, lugar donde se congeló el Equipo Chaotix (excepto Knucles, que estaba en la era Mega Drive), y 3 zonas más, además de las tres llaves y Silver, recreando con éste la batalla de Sonic the Hedgehog (2006). El último portal con paso a un jefe antiguo nos lleva con el robot Egg Dragon. La última zona es un gran portal, con 7 engranajes rotos, reparados por las 7 Chaos Emeralds. Descubren que el Time Eater es de Eggman, y aplasta a los Sonics. Pero con los ánimos de sus amigos y el poder de las esmeraldas, se levantan como Super Sonic Clásico y Moderno, y van a un túnel espacio-temporal a tener la batalla final contra el Time Eater.
Al vencerlo, el flujo del tiempo y el espacio se reestablece, y todos vuelven a donde deberían estar.
En la fiesta, Sonic moderno llega a disfrutar el resto de su Perrito caliente, que fue arrastrado por la interrupción del Time Eater de su fiesta de cumpleaños, como el resto del equipo vuelve a aparecer, incluyendo los personajes antiguos, Shadow y Silver.
Después de un par de conversaciones entre los dos Sonics y los dos Tails, Sonic clásico practica el Homing Attack en el aire, pero no lo hace bien y cae de cabeza. Sonic moderno aplaude a Sonic clásico de todos modos, diciendo que si practicaba sería el amo. Luego Sonic y Tails clásicos vuelven al pasado cruzando un portal del tiempo hacia Green Hill Zone y Sonic moderno saluda al Sonic Clásico diciéndole que le aguardaba un gran futuro y que lo disfrutara
Una escena post-créditos muestra a los dos Eggman perdidos en el espacio en blanco. Los dos sostienen en su búsqueda de una salida, discutiendo o no si es que alguna vez derrotarían a Sonic y contemplar si se debe volver atrás y obtener su título de maestro en lugar de continuar con sus fechorías.