Sonic & Sega All-Stars Racing là một trò chơi đua xe  với các nhân vật từ nhiều thương hiệu Sega như Sonic, Tails, Dr. Eggman, Shadow, Amy, AiAi, Amigo và Billy Hatcher... Nó được xuất bản bởi Sega và phát triển bởi Sumo Digital.Là trò chơi đua xe tập hợp tất cả những nhân vật được ưa chuộng của hãng Sega, từ Sonic, Dr. Eggman, Tails, AiAi, Amigo cùng tập hợp lại với nhau trong những chiếc xe đua Kart tự chế của riêng mình và cùng ganh đua với nhau trong những đường đua đầy màu sắc trong trò chơi. Để hỗ trợ các tay đua, trong mỗi đường đua sẽ có những món vật dụng là những món vũ khí để tấn công hay vật dụng để phòng thủ, đồng thời mỗi nhân vật sẽ có những chiêu thức đặc biệt khác nhau, tạo nên sự đa dạng và sự đặc biệt trong mỗi nhân vật mà người chơi lựa chọn để tăng thêm tính chiến thuật cho mỗi màn đuaTrò chơi là một biểu tượng game đua xe kart, rất giống với các game khác trong thể loại của nó như Mario Kart, Konami Krazy Racers và Crash Team Racing. Nhân vật chạy đua thông qua các đường đua khác nhau với các chủ đề khác nhau và thu thập power-ups để tăng tốc độ (boost) cho mình hoặc cản trở đối thủ của họ. Các item này có ảnh hưởng khác nhau, trong đó một số item có thể được sử dụng để bảo vệ chống lại những cuộc tấn công của người khác. Ngoài ra, vào những dịp khi người chơi có được ba item cùng loại, họ có thể chọn để kích hoạt chúng cùng một lúc. Boost còn có thể kiếm được bằng cách thực hiện thành công drifts, hoặc thực hiện các thủ thuật trong khi ở trên không. Như trò chơi Sega trước, mỗi nhân vật có một khả năng đặc biệt (gọi là "All-Star Move") duy nhất và họ có thể sử dụng lợi thế của họ (chẳng hạn như Sonic chuyển thành Super Sonic)


Xe được chia thành ba loại khác nhau: xe hơi, xe đạp và hovercrafts. Trên các đường đua khác nhau mỗi xe sẽ có ưu nhược điểm khac nhau. Xe ô tô dườnh như hoạt động trên hầu hết địa hình. Xe đạp có khả năng tăng tốc nhanh và cũng có thể thực hiện được nhiều thủ thuật, nhưng có thể dễ dàng bị bắt nạt bởi xe nặng hơn. Hovercrafts không bị ảnh hưởng bởi bất kỳ địa hình và có khả năng thực hiện nhiều thủ thuật, nhưng xử lý kém hơn và có khả năng tăng tốc thấp. Tất cả các xe cũng có âm thanh động cơ cụ thể của riêng mình.

Bằng cách chơi thông qua trò chơi, người chơi có thể kiếm được Sega Miles dùng để chi tiêu trong các cửa hàng trong game để mở khóa nội dung bổ sung chẳng hạn như nhân vật, bài hát... Trò chơi có tổng cộng 24 đường đua dựa trên địa điểm từ Sonic Heroes, Super Monkey Ball: Banana Blitz, Billy Hatcher and the Giant Egg, Jet Set Radio Future, Samba de Amigo, và The House of the Dead.

Có bốn chế độ chơi đơn: Grand Prix, Single Race, Missions and Time Trials, trong khi chế độ phân chia màn hình split-screen multiplayer, có thể chơi với tối đa bốn người chơi, bao gồm Free Race, Arena, King of the Hill, Collect the Emeralds và Capture the Chao.

Khi bắt đầu game, người chơi có thể chơi như Sonic, Tails, Dr. Eggman, Shadow, Amy, AiAi, Amigo và Billy Hatcher. Các nhân vật khác được mở khóa sau khi mua chúng với Sega Miles.