Al igual que su predecesor, el juego es al estilo de carrera de karts protagonizado por Sonic, la mascota de Sega, en el que los jugadores compiten entre sí utilizando personajes de diferentes franquicias de Sega, aunque cuenta con muchas nuevas mecánicas y mejoras desde el último juego. La nueva mecánica más notable es que los vehículos ahora tienen la capacidad de transformarse en vehículos marítimos y aéreos basados ​​en una carrera, la cual se realiza automáticamente por la conducción a través de puertas de transformación. Algunas pistas de carreras se transformarán cuándo los corredores las atraviesen. Por ejemplo, una pista cuenta con una de las criaturas titulares de Panzer Dragoon que destruye un puente, obligando a los jugadores a continuar con la carrera en el aire o caer en el río.

El modo de coche se maneja de manera similar al juego anterior en el que los jugadores pueden ganar impulso a la deriva y realizar trucos en el aire. El modo de la navegación de los vehículos cuenta con verdadera física del canotaje, que requiere a los jugadores a considerar la turbulencia del agua y el uso de ondas especialmente grandes para saltar en el aire y realizar acrobacias para recibir aumentos de velocidad. Por último, el modo aéreo cuenta con la dinámica de vuelo sencillo e intuitivo, ascendente disminuye jugadores abajo al descender la velocidad para arriba. Se pueden realizar técnicas en el aire, tales como rollos de alerones y de inclinación a lo largo del eje de balanceo en las curvas más estricta.

All-Star cuentan con nuevas habilidades e ítems en comparación del título anterior, pero ya no se obtiene a través de cajas de artículos. En su lugar, los jugadores tendrán que llenar poco a poco un “All-Star Meter” por la realización de trucos o recogiendo las estrellas esparcidas por los campos, cuando el medidor esté lleno, los jugadores podrán usar su All-Star Move siempre que lo deseen. Los jugadores que están más atrás en la carrera llenarán su medidor All-Star más rápido que los de delante. Además, a diferencia de su predecesor, el All-Star Moves ahora se puede utilizar en el modo multijugador en línea.

El juego contará con un nuevo modo de un solo jugador de aventura, donde los jugadores pueden desbloquear nuevos personajes. Los vehículos también pueden ser actualizados con trajes y modificaciones con experiencia ganada mediante la construcción de Meters of All Stars. El juego contará con 16 nuevas canciones inspiradas en juegos como Super Monkey Ball, Dragon Panzer, Golden Axe y After Burner, así como a cuatro niveles, desde el primer nivel. El juego también contará con el modo multijugador online en todas las versiones.
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