Como Sonic the Hedgehog, el jugador intenta proteger un cuerpo extraterrestre, Little Planet, del Doctor Ivo Robotnik.

Al viajar en el tiempo, los jugadores pueden acceder a varias versiones diferentes de cada escenario, con diseños, música y gráficos alternativos.

Dirigidos por el cocreador de Sonic Naoto Ohshima, los desarrolladores pretendían demostrar las capacidades técnicas del Sega CD.

Los críticos alabaron su tamaño, su música y su función de viaje en el tiempo, aunque algunos opinaron que no aprovechaba todas las posibilidades del Sega CD.

Un remake, desarrollado por Christian Whitehead usando el Retro Engine, fue lanzado para varias plataformas en 2011 y reeditado como parte del recopilatorio Sonic Origins en 2022.

Sonic también puede realizar un "Spin Dash" y un "Super Peel-Out", que aumentan su velocidad.

[3]​ El juego tiene siete niveles; cada uno se divide en tres zonas, la tercera de las cuales termina en una lucha contra el jefe con Robotnik (excepto Stardust Speedway).

La tercera zona siempre está ambientada en el futuro, su línea temporal depende de si el jugador destruyó ambos transportadores.

[2]​ Viaja a través del tiempo golpeando señales etiquetadas como "pasado" o "futuro", manteniendo su velocidad después.

[7]​ Para conseguir un buen futuro en cada zona, los jugadores deben viajar al pasado y destruir un transportador oculto donde aparecen robots enemigos.

Sonic se adentra en el planeta, seguido por la enamorada Amy Rose, su autoproclamada novia.

[10]​ El programador principal, Yuji Naka, descontento con las rígidas políticas corporativas de Sega de Japón, se trasladó con varios miembros del Sonic Team a Estados Unidos para desarrollar Sonic the Hedgehog 2 con el Sega Technical Institute (STI).

[13]​ Ohshima dijo: "nuestras ideas eran hacer el mundo y el escenario más grandes, y añadir más rejugabilidad, para que fuera algo que se pudiera disfrutar jugando durante mucho tiempo".

Aunque Hoshino creó los gráficos de Amy, muchos miembros del equipo contribuyeron con ideas a su diseño.

Hoshino tuvo una imagen clara de Metal Sonic en su mente desde el momento en que recibió el encargo, y su diseño surgió tras unos pocos bocetos.

[17]​ Aunque Naka no participó directamente en Sonic CD, intercambió ideas de diseño con Ohshima.

[13]​ El juego incluye escenas animadas producidas por Studio Junio y Toei Animation; el equipo utilizó un formato que proporcionaba imágenes sin comprimir al procesador de visualización de vídeo, lo que permitió obtener resultados superiores en contraste con la compresión Cinepak utilizada para otros juegos de Sega CD.

[23]​ Sega of America retrasó dos meses el lanzamiento norteamericano de Sonic CD para contar con una nueva banda sonora escrita y producida por Spencer Nilsen y David Young de Sega Multimedia Studio.

[27]​ Según Nilsen, la división de marketing americana de Sega creía que Sonic CD necesitaba una banda sonora más "rica y compleja" y un tema musical que pudieran utilizar para promocionarlo.

[35]​[36]​ Se lanzaron dos versiones de Sonic CD para Windows: una en 1995 para procesadores Intel Pentium, y otra en 1996 para DirectX.

[46]​ La remasterización incluye mejoras como gráficos en pantalla panorámica, detección de colisiones ajustada para hacer que los viajes en el tiempo sean más sencillos.

[54]​ La propia Amy y Knuckles también se convirtieron en personajes seleccionables para el juego en una actualización posterior de Origins.

[3]​ Electronic Games dijo que el juego tenía un aspecto similar al de juegos más antiguos y utilizaba mínimamente las funciones especiales del Sega CD, pero esto no le restaba calidad.

[20]​ La crítica se mostró dividida ante el cambio de banda sonora en las versiones norteamericanas.

GameFan, que había dado a la versión japonesa de Sonic CD una puntuación del 100%, arremetió contra el cambio.

En EGM admiraron la diversidad de niveles y consideraron que el viaje en el tiempo añadía profundidad.

[2]​ Sega Pro también destacó la ampliación de los entornos y la rejugabilidad añadida por el viaje en el tiempo, escribiendo que "cuanto más juegas a Sonic CD mejor se pone", pero consideraba que el juego era demasiado fácil.

[6]​ En su número de debut, Sega Magazine dijo que Sonic CD era "potencialmente un clásico".

Pero no te alegres por nada más (de Sonic Gems Collection), porque en su mayor parte es basura.

[81]​ La editorial británica Fleetway Publications publicó su propia adaptación en Sonic the Comic.