Sonic the Hedgehog est un plate-forme de défilement latéral 2D, dont le gameplay se concentre autour de la capacité de Sonic à courir à haute vitesse à travers des niveaux intégrant des ressorts, des pentes, des chutes élevées et des boucles-les-loops. Les niveaux contiennent des dangers sous forme de robots (badniks dans les manuels de jeu occidentaux) dans lesquels le Dr Robotnik a piégé des animaux. Bien que détruire un robot libère l'animal à l'intérieur, il n'est pas nécessaire de compléter le jeu. Le joueur doit éviter des rangées de pics pointus, tomber dans des fosses sans fond, être écrasé par des murs ou des plates-formes mobiles, et se noyer (qui peut être évité par des bulles d'air respirant périodiquement libérées des évents). L'attaque principale de Sonic est son spin, où il se précipite dans une balle et tourne rapidement (détruit les ennemis et certains obstacles). Cela peut être effectué en sautant dans l'air ou en roulant sur le sol. Les anneaux d'or et la collecte de 100 anneaux récompense le joueur avec une vie supplémentaire. Les anneaux sont une couche de protection contre les dangers; si Sonic a au moins un anneau lorsqu'il heurte un ennemi, il survivra. Cependant, tous ses anneaux seront dispersés; ils scintilleront et disparaissent en quelques secondes s'ils ne sont pas repris. Si Sonic est frappé sans bagues, il perd une vie. Bien que des boucliers et une invincibilité temporaire puissent être collectés pour fournir une protection supplémentaire, certains dangers (comme la noyade, l'écrasement, la chute d'un puits sans fond ou l'épuisement du temps) coûteront à Sonic une vie indépendamment des anneaux ou d'autres protections. Le jeu est divisé en six zones (Green Hill, Marble, Spring Yard, Labyrinthe, Star Light et Scrap Brain), chacune avec son propre style visuel et ses ennemis. Un joueur doit parcourir chaque zone (sous-divisé en trois actes) pour progresser. À la fin du troisième acte de chaque zone, le joueur affronte le Dr Robotnik (qui pilote un véhicule différent à chaque fois) dans un combat de boss. Après la sixième zone, le joueur continue directement vers la Zone Finale pour une dernière rencontre avec Robotnik. Ils commencent par trois vies (pouvoirs et anneaux ajouter plus), qui sont perdues lorsque Sonic se heurte à des ennemis dangereux (ou des objets) sans anneaux, tombe hors écran ou dépasse la limite de dix minutes d'un acte. Les projecteurs agissant comme points de contrôle permettent à Sonic de retourner au poste le plus activé lorsqu'il perd sa vie. S'il perd une vie à cause du temps de sortie mais a une autre vie, le minuteur réapparaîtra à 0:00 quand il reviendra au point de contrôle. Si toutes les vies sont perdues à n'importe quel moment du jeu, le jeu sur l'écran apparaîtra (lorsque le joueur peut revenir au début de l'acte avec trois vies, s'il en a toujours). Lorsque Sonic atteint la fin de l'acte un ou d'agir deux d'une zone avec au moins cinquante anneaux, une grande bague apparaît par laquelle il peut sauter pour entrer dans une étape spéciale (une « zone secrète » dans le manuel original de Genèse). Dans chacune des six scènes spéciales, Sonic rebondit des pare-chocs et des murs d'un labyrinthe tournant dans l'attaque de spin. Bien que le joueur gagne une suite avec chaque 50 anneaux trouvés, leur but principal est d'obtenir le Chaos Emerald à la fin du labyrinthe sans coller avec un « bloc final » (qui finit le niveau).