Все уровни в игре поделены на три части, и в конце третьей части каждого уровня игроку предстоит сражаться с боссом — самим Доктором Роботником на его очередной боевой машине, либо с Метал Соником (например, на уровне «Stardust Speedway»). После победы над боссом игрок должен уничтожить специальную капсулу, лишь после этого уровень будет завершён. После каждого окончания уровня следует подсчёт игровых очков, где учитывается количество колец и время, потраченное на прохождение уровня.

Путешествия во времени

Главной отличительной чертой Sonic the Hedgehog CD является возможность путешествовать во времени — побывать в четырёх различных вариантах каждого игрового уровня, которые являются различными периодами времени этого места: «Настоящем», «Прошлом», «Хорошем Будущем» и «Плохом Будущем». Чтобы переместиться во времени, игрок должен коснуться одной из специальных табличек с надписью «Past» (Прошлое) или «Future» (Будущее), разбросанных по всему уровню. Соник или Тейлз должен пробежать мимо одной из таких табличек и в течение нескольких секунд сохранять максимальную скорость. В результате он переместится в аналогичное место на уровне, но в другой период времени. В Прошлом таблички для перемещения в прошлое отсутствуют, в Будущем нет табличек для перемещения в будущее, что позволяет игроку в этих периодах времени перемещаться только в Настоящее.

Уровни в различные периоды времени отличаются планировкой, размещением объектов, музыкой и цветовой палитрой. Кроме того, состояние роботов-врагов бадников так же зависит от времени, в котором находится игрок. В Прошлом они исправны и имеют много сил; в Настоящем у некоторых уменьшается функциональность; в Будущем все машины работают с дефектами. Такое «изнашивание» может оказывать влияние на скорость и атакующую способность бадников.

Внешний вид каждого уровня в Будущем зависит от действий игрока в другом времени. Если в Прошлом он найдёт машину, создающую роботов, и уничтожит её, то все роботы в этом Прошлом исчезнут, а Будущее, куда впоследствии перемещается игрок, становится «Хорошим». В варианте Хорошего Будущего нет врагов и присутствует меньше опасностей, а пейзаж уровня выглядит как гармоничное переплетение природы и технологий. Если же машина не была уничтожена, игрок попадает в Плохое Будущее, с часто встречающимися роботами и разными ловушками, а также сильно загрязнённой окружающей средой (например, отравленной водой или коррозией строений). Так как третья часть каждого уровня всегда происходит только в Будущем, игрок, чтобы сделать его Хорошим, должен сперва создать Хорошее Будущее в двух предыдущих частях уровня. Будущее так же станет Хорошим, если Соник соберёт все семь Камней Времени (см. раздел Special Stages).

Если игрок уничтожит в Прошлом все роботизирующие машины, то в конце игры увидит хорошую концовку. В дополнение, в Прошлом каждого уровня находится проектор, который показывает как голограмма Метал Соника мучает какое-нибудь животное. После уничтожения этой машины животные появятся в Прошлом и Настоящем уровня; в то же время, в Хорошем Будущем они присутствуют независимо от того, был ли уничтожен проектор.

Уровни

В отличие от большинства игр серии Sonic the Hedgehog, уровни в Sonic CD называются раундами, а пронумерованные этапы, из которых они состоят, — зонами. Чтобы закончить уровень, игрок должен пробежать мимо специальной таблички с изображением Роботника, находящейся в конце этапа. Всего в игре 7 раундов, каждый из которых делится на 3 зоны, причём третья зона представляет собой битву с боссом и всегда происходит в Будущем. Примечательно, что названия-словосочетания всех раундов аллитерационны — оба слова в них начинаются на одну и ту же букву.