Игра вводит некоторые новые элементы. В отличие от всех остальных игр о Сонике, игрок управляет не одним персонажем, а целой командой из троих героев, каждый из которых обладает своими преимуществами. Игрок способен переключаться между персонажами и управлять одним из них, контроль за другими членами команды берет на себя компьютер. Также введена система «уровней» — у каждого персонажа три «уровня» (не считая начального). Чем выше «уровень», тем более мощной становится атака. «Уровни» можно получить из убитых врагов, докоснувшись до чекпоинта или просто найдя контейнер.
Эта игра также ознаменована возвращением Хаотиксов (Chaotix) — группы персонажей, последний раз появлявшихся в игре Knuckles'Chaotix на консоли Sega 32X, ежа Шэдоу и Руж из Sonic Adventure 2, крольчихи Крим из Sonic Advance 2 и кота Бига из Sonic Adventure.
Уровни
Игра Sonic Heroes включает 14 уровней и 9 битв с боссами (включая «последнюю историю»). Количество врагов и цели могут различаться у всех команд. За каждый пройденный уровень за каждую команду даётся Эмблема.
Задача Команды Соника, Тёмной Команды и Команды Роуз — добраться до конца уровня. Задачи Команды Хаотиксов указаны отдельно.

Также каждый уровень имеет дополнительную миссию. Эту миссию можно выбрать в режиме «Вызов» (англ. Challenge Mode). За выполнение этих миссий также даётся Эмблема. У всех команд, кроме Хаотиксов, задачи не меняются.

Последняя История

После того, как все истории пройдены и собраны 7 Изумрудов Хаоса, открывается Последняя История. Она начинается с конца истории Хаотиксов. Их заключённым в камере клиентом оказался доктор Эггман. Вектор спрашивает кто его запер в тюрьме. Эггман начинает отвечать: «Это был…». Все команды и Эггман бегут к высокой башне, откуда доносится громкий голос: «Все живые твари, встаньте на колени перед хозяином!». На башне стоит загадочная фигура с распростёртыми руками. Молния бьёт в башню и разбивает её, все металлические обломки кружатся вокруг злодея, и он превращается в огромное металлическое, похожее на дракона, существо. Эггман сообщает, что это Метал Соник, в своей самой мощной форме. Он скопировал данные всех команд, а также данные о Хаосе от Фрогги и Чоколы. И, соединив их воедино, стал практически непобедимым. Узнав, что у команд есть 7 Изумрудов Хаоса, Эггман заявляет, что даже с ними их шансы малы. Команды Роуз, Хаотиксов и Тёмная Команда решают отвлечь Метал Соника, пока Команда Соника готовится к превращению в Супер Форму. Битва начинается с Команды Роуз, затем Хаотиксы, и после Тёмная команда. После победы над Металлическим Безумием, его когти превращаются в крылья и он тяжело взлетает. Используя силу Изумрудов Хаоса, Соник и друзья трансформируются в Супер Форму. Соник становится Супер Соником, а вокруг Наклза и Тейлза возникает яркое жёлтое сияние. Нанести урон Металлическому Повелителю можно только Командным Взрывом. Пять-восемь таких атак должны справится с финальным боссом. Он падает, крича "I am real Sonic!". Превращаясь в начальную форму, он стоит на коленях и, опершись руками, снова изменяется в свою классическую форму. Соник подходит и сообщает, что готов к реваншу в любое время. Он убегает, Тейлз бежит за ним. Метал Соник падает, а Эми отправляется догонять Соника. Наклз преследует Руж, которая пошла за Главным Изумрудом. Омега поднимает деактивированное тело Метал Соника и поворачивается к Шедоу. А Команда Хаотиксов бежит за Эггманом, который ушёл не заплатив им.
Супер сложный режим

После прохождения каждого уровня и победы над боссом игроку выдаётся определённый ранг (оценка). От худшего к лучшему:"E", «D», «C», «B», «A». Чтобы «открыть» супер сложный режим надо пройти все уровни (и обычные, и дополнительные) на ранге «А». Игра в этом режиме возможна только за Команду Соника.

* Морские врата: Обучение (англ. Sea Gate)
* Сисайд Хилл (англ. Seaside Hill). Команда Хаотиксов: найти 10 прибрежных крабов.
* Океанский Дворец (англ. Ocean Palace). Команда Хаотиксов: найти чао.
* Эгг Ястреб (англ. Egg Hawk) : Бо * Большой Мегаполис (англ. Grand Metropolis). Команда Хаотиксов: уничтожить 85 врагов.
* Электростанция (англ. Power Plant). Команда Хаотиксов: уничтожить 3 золотых робота-черепахи.
* Битва между командами: Босс. Команда Соника против Команды Роуз или Команда Дарк против Команды Хаотикс.
* Парк Казино (англ. Casino Park). Команда Хаотиксов: собрать 200 колец.
* Магистраль БИНГО (англ. BINGO Highway). Команда Хаотиксов: найти 10 фишек казино.
* Карнавал роботов (англ. Robot Carnival): Босс. Битва с множеством появляющихся роботов на одной арене.
* Каньон (англ. Rail Canyon). Команда Хаотиксов: добраться до конечной станции.
* Склад Боеприпасов (англ. Bullet Station). Команда Хаотиксов: уничтожить 30 капсул с секретным оружием.
* Эгг Альбатрос (англ. Egg Albatross) : Босс
* Лягушачий лес (англ. Frog Forest). Команда Хаотиксов: дойти до конца уровня, будучи не замеченными лягушками.
* Затерянные джунгли (англ. Lost Jungle). Команда Хаотиксов: найти 10 чао.
* Битва между командами: Босс. Команда Соника против Тёмной Команды или Команда Роуз против Команды Хаотиксов.
* Парящий Замок (англ. Hang Castle). Команда Хаотиксов: найти 10 ключей от замка
* Таинственный особняк (англ. Mystic Mansion). Команда Хаотиксов: задуть все красные факелы.
* Шторм роботов (англ. Robot Storm). Битва с множеством роботов на нескольких аренах.
* Флот (англ. Egg Fleet). Команда Хаотиксов: пройти через уровень, не замеченными врагами.
* Последняя Крепость (англ. Final Fortress). Команда Хаотиксов: найти 5 ключей от камеры в которой заключен их клиент.
* Эгг Эмперор (англ. Egg Emperor): Финальный Босс.

* Последняя история
o Металлическое Безумие (англ. Metal Madness) — Финальный Босс. Битва поочерёдно командами: Роуз, Хаотикс,Дарк.
o Металлический Повелитель (англ. Metal Overlord). Битва Командой Супер Соника.