Геймплей Sonic & All-Stars Racing Transformed продолжает традиции своего предшественника. Игрок должен соревноваться со своими противниками и выиграть гонку; на выбор ему предоставлено несколько персонажей и трасс из различных серий игр от Sega . Нововведением Sonic & All-Stars Racing Transformed является то, что маршрут гонки пролегает не только по земле, но и по воде и воздуху. Каждый из этих участков имеет свои особенности управления, и при переходе в соответствующий сегмент трассы, транспорт игрока автоматически трансформируется в автомобиль, катер или реактивный самолёт. В зависимости от трека, во время гонки маршрут может измениться. Например, на первом круге гонка может проходить по земле, на втором — по воде, а на третьем — по воздуху. Трассы также включают альтернативные пути.
Как и в Sonic & Sega All-Stars Racing успешный дрифт и выполнение трюков в воздухе даёт игроку ускорение. На воде дрифтовать немного сложнее, чем на земле, а для выполнения трюков необходимо использовать волны. Во время гонки игрок может подбирать бонусы, раскиданные по треку. Как и в Sonic & Sega All-Stars Racing у каждого персонажа есть собственный приём «All-Star», позволяющий ему на высокой скорости обгонять и причинять вред противникам. Чтобы воспользоваться им, игрок должен заполнить соответствующую полосу, выполняя трюки и собирая звёзды на трассе. В отличие от предшественника, приём «All-Star» доступен и в онлайн-режиме.
Игра включает «приключенческий» режим, в котором игрок должен разблокировать новых персонажей. Также доступен мультиплеерный онлайн-режим, поддерживающий до десяти игроков.
