Una missione andata nel verso sbagliato trasporta Sonic, i suoi amici, il dottor Eggman e gli Smeraldi del Caos in un'altra dimensione: la Terra.
In un mondo senza nome, Sonic the Hedgehog, Miles "Tails" Prower e Amy Rose cercano di salvare Cream the Rabbit e il suo animale Chao Cheese dallo scienziato pazzo Doctor Eggman, che ha già recuperato i sette Chaos Emerald. Mentre cerca di distruggere la sua base, uno dei robot di Eggman spara inavvertitamente a una macchina contenente gli Smeraldi, attivando la tecnica del "Chaos Control". Questo teletrasporta Sonic, Eggman (e i suoi robot), Tails, Amy, Cream e Cheese, oltre a Big the Cat (con la sua rana Froggy), Rouge the Bat, Knuckles the Echidna e i Chaotix (una squadra di investigatori composta da Vector the Crocodile, Espio the Chameleon e Charmy Bee) sulla Terra, la versione dell'universo parallelo del loro mondo con gli umani. Sonic viene inseguito dalla polizia, atterra nella piscina di una villa e viene salvato da un ragazzino di dodici anni di nome Chris Thorndyke, che vive lì con la madre Lindsey, star del cinema, il padre Nelson, dirigente d'azienda, il nonno Chuck, scienziato, la cameriera e cuoca Ella e il maggiordomo Tanaka. Chris cerca di nascondere gli amici antropomorfi alla sua famiglia fino a quando Cream non li rivela accidentalmente, ma tutti creano un buon rapporto con la famiglia di Chris e con gli amici di Chris, Danny, Francis e Helen. Il Dottor Eggman si fa notare portando il suo robot Missile Wrist ad attaccare la città di Station Square, nella sua prima tappa di conquista della Terra, che lo porterà a combattere per la prima volta con Sonic.
Sonic e i suoi amici vogliono ancora tornare a casa, quindi si scontrano ripetutamente per ottenere gli Smeraldi con il Dottor Eggman, i suoi assistenti robotici - l'iperattivo Bokkun, in cerca di attenzioni, e i pasticcioni Bocoe e Decoe - e i suoi robot più grandi e armati. La lotta tra Sonic ed Eggman attira l'attenzione del presidente della nazione senza nome, quindi Knuckles, Rouge e l'agente federale Topaz collaborano per fermarlo. Gli altri abitanti antropomorfi si uniscono presto alla crociata e, quando Eggman viene sconfitto da Sonic con l'aiuto dei suoi amici, viene acclamato come un eroe insieme ai suoi amici.
Eggman risveglia una creatura chiamata Chaos dal Master Emerald. Gli animali combattono una battaglia persa per recuperare gli Smeraldi fino a quando Chaos li assorbe tutti e sette e diventa gigante nella sua forma perfetta, ma una ragazza echidna di nome Tikal, che si è imprigionata insieme a Chaos nel Master Emerald millenni fa, emerge per aiutarlo a placarsi. Dopo aver utilizzato gli Smeraldi del Caos per diventare Super Sonic, Sonic sconfigge Chaos, che torna nello Smeraldo Maestro con Tikal.
Poco dopo, Eggman trova il diario di suo nonno Gerald Robotnik e il vecchio progetto di Gerald, Shadow, in una base militare. Dopo essere stato liberato da Eggman, Shadow irrompe in un museo per rubare uno smeraldo, facendo arrestare Sonic. Amy lo salva, ma Shadow, Eggman e l'ambigua Rouge fuggono nella colonia spaziale ARK, dove Eggman minaccia di usare un'arma chiamata Cannone a Eclissi per distruggere la Terra se non si sottometteranno al suo dominio; per dimostrare il suo potere fa esplodere mezza Luna. Eggman raccoglie gli Smeraldi per alimentare il Cannone, ma questo innesca un programma che Gerald aveva impostato decenni prima e che fa precipitare la Colonia Spaziale ARK sulla Terra, distruggendo il pianeta in meno di mezz'ora. Gerald l'ha fatto per vendicarsi dell'umanità, che ha incolpato della morte di sua nipote Maria, uccisa in un raid governativo sulla colonia spaziale ARK. Tutti si alleano e collaborano per spegnerla, tranne Shadow, che è indifferente e crede di aver raggiunto il suo scopo di vendetta. Chris affronta Shadow, ricordandogli l'ultimo desiderio di Maria, ovvero che Shadow fosse un protettore dell'umanità, per guidarla e aiutarla. Commosso fino alle lacrime e con un nuovo senso dello scopo, Shadow si allea con Sonic ed entrambi si potenziano usando gli Smeraldi e teletrasportano l'ARK lontano dalla Terra, anche se Shadow sembra essere stato ucciso nel processo. Sonic, i suoi amici ed Eggman riflettono sul sacrificio di Shadow e tornano sulla Terra.
Un altro evento del Chaos Control porta sulla Terra altri animali del mondo di Sonic, tra cui l'Agenzia Investigativa Chaotix: Espio il camaleonte, Vector il coccodrillo e Charmy Bee, oltre alla madre di Cream, Vanilla, che i Chaotix aiutano a ricongiungersi con Cream. Eggman ricostruisce la Luna, apparentemente per rimorso, ma la sua posizione si sposta, creando un'eclissi solare, quindi produce e vende "Sunshine Balls" per replicare la luce del sole. Sonic capisce le sue avide motivazioni e smaschera Eggman che viene arrestato per frode. Bokkun attiva un robot di nome Emerl, che si allea rapidamente con le persone antropomorfe ed Eggman scappa di prigione. Emerl vince uno Smeraldo in un torneo di arti marziali a cui partecipano numerosi personaggi eroi e cattivi, ma impazzisce e inizia a distruggere la città, costringendo Cream e Cheese a distruggerlo.
Più tardi, due fisici governativi si presentano alla villa di Chris per annunciare che il mondo di Sonic e la Terra erano un tempo un unico mondo diviso in due da un evento cataclismatico, ma che si stanno ricongiungendo, il che fermerà il tempo in modo irreversibile e l'unico modo per fermarlo è quello di rimandare gli antropomorfi a casa. Tails e Chuck iniziano a costruire un cancello per teletrasportare Sonic e compagnia nel loro mondo con il Chaos Control, ma Chris non vuole che se ne vadano. Quando il progetto è terminato e tutti i loro amici tranne Sonic sono partiti, Chris spegne improvvisamente la macchina e porta Sonic nel bosco a nascondersi per paura che i suoi genitori tornino a non essere più a casa una volta che Sonic se ne sarà andato. Sonic è comprensivo, ma insegna a Chris che nessuno dei due può costringere l'altro a sentirsi in un certo modo e che la loro amicizia è frutto del libero arbitrio. Chris riconosce in lacrime di aver limitato la libertà di Sonic oggi e di aver impedito al suo amico di tornare a casa e chiede con rimorso di essere perdonato, mentre Sonic gli dice che sarà in grado di essere forte anche senza la sua presenza e gli promette che un giorno si rivedranno. I genitori di Chris lo trovano e promettono di passare più tempo con lui. Chris, dopo aver imparato la lezione ed essere cresciuto come persona, fa un'ultima corsa con Sonic prima che i due si separino reciprocamente e Sonic torni sul suo pianeta usando i Chaos Emerald e il suo Chaos Control, fermando la fusione dei mondi causata da Eggman. Tuttavia, Chris giura che un giorno rivedrà Sonic.
Sei mesi dopo, una razza di robot malvagi noti come Metarex tenta di rubare gli Smeraldi a Sonic, ma lui li disperde per tutta la galassia. Nel frattempo, sulla Terra, dove sono passati sei anni e Chris ha ormai diciotto anni, Chris costruisce un altro dispositivo per viaggiare verso il mondo di Sonic dove si riunisce con Sonic e i suoi amici, ma a causa della differenza di tempo tra i due mondi, il teletrasporto inverte la sua età, facendolo tornare dodicenne al suo arrivo. Una ragazza malata, simile a una pianta, di nome Cosmo, atterra sul loro pianeta e loro la curano per farla tornare in salute, quindi si unisce a loro e salgono tutti sulla nuova astronave di Tails, il Tifone Blu. A bordo del Typhoon, Sonic e la sua banda setacciano la galassia alla ricerca degli Smeraldi e delle "Uova di Pianeta" (oggetti che permettono alla vita di prosperare sui pianeti, che i Metarex hanno rubato per spopolare la galassia) e combattono i Metarex in ogni occasione. Lungo il percorso, Tails e Cosmo si innamorano lentamente l'uno dell'altro. Rouge trova Shadow vivo in una capsula sulla nave di Eggman e in seguito viene liberato (anche se ha perso la memoria). All'inizio, lui e Rouge assistono Eggman (salvando persino Chris in un'occasione), ma dopo che Shadow assiste alla morte di un combattente della resistenza che gli ricorda Maria, sia lui che Rouge partono da soli per combattere il Metarex in modo indipendente. Alla fine Eggman si unisce ai Metarex, anche se si tratta di uno stratagemma per raccogliere più informazioni. Dopo aver scoperto le origini, i metodi e gli obiettivi dei Metarex, Shadow riappare e cerca di uccidere Cosmo, con grande rabbia di Tails. Il capo dei Metarex, Dark Oak, appare e rivela che i Metarex e Cosmo appartengono alla stessa specie e che hanno impiantato segretamente un dispositivo di tracciamento nel suo cervello mentre estinguevano il resto della loro specie; da allora è una spia inconsapevole. Per questo motivo Shadow voleva che Cosmo morisse. Chris, Knuckles e Tails notano che la rimozione del dispositivo probabilmente distruggerà per sempre la sua vista e il suo udito. Knuckles spinge per rimuoverlo comunque (nella versione giapponese sottolinea di trovare un modo per rimuoverlo senza danneggiarla), ma Tails non può prendere alcuna decisione al momento, quindi l'intervento viene annullato e la battaglia contro il Metarex continua.
Sonic e i suoi amici, insieme ai Chaotix e a Shadow, Rouge, Eggman e i suoi scagnozzi, si dirigono al centro dell'universo, dove i Metarex controllano minacciosamente un pianeta fatto d'acqua che contiene un Pianeta Uovo, dove il gruppo ingaggia una lunga battaglia con i Metarex. Dopo che Sonic è quasi annegato, riesce a liberarsi combattendo contro Dark Oak nel suo sogno, ma il pianeta inizia a trasformarsi in un seme gigante; i Metarex rivelano che, avendo perso la battaglia, distruggeranno la galassia con questo pianeta. I Metarex si fondono insieme, formando un mostro vegetale simile a un drago che si attacca al seme gigante. Sonic e Shadow utilizzano il Chaos Emerald per diventare Super Sonic e Super Shadow, ma non riescono a sconfiggere il Metarex fuso. Cosmo vede una visione di sua madre Earthia che le dice che deve sacrificarsi per salvare gli altri. Si fonde con il seme gigante e ordina a Tails di usare il cannone del Tifone Blu per sparare Super Sonic e Super Shadow contro di lei e il seme. Tails esita, combattuto tra il salvare la galassia e uccidere Cosmo, ma alla fine trova la forza interiore e annienta il Metarex insieme a Cosmo, il cui seme si disperde in tutta la galassia insieme alle Uova del Pianeta rubate dal Metarex che tornano ai loro pianeti originari. Dark Oak ha un momento di pentimento prima di morire e ha la visione di essere salutato da Earthia al momento del trapasso. Shadow si sacrifica per contenere l'esplosione che ne consegue. Dopo la battaglia, Sonic riappare e informa solennemente un Tails affranto che non ha potuto salvare Cosmo e gli consegna uno dei suoi semi. Tornato sul pianeta di Sonic, Eggman costruisce un dispositivo per permettere a Chris di tornare a casa, affermando in seguito che questo è stato fatto per ridurre la forza del Team Sonic. La serie si conclude con il ritorno di Chris a casa, ma non prima di aver dato l'ultimo saluto a Sonic che, insieme ai suoi amici, riprende a lavorare come sempre per mettere fine ai piani di Eggman. Le immagini finali mostrano Shadow su un pianeta alieno (versione giapponese) e il seme di Cosmo che germoglia nel laboratorio di Tails.
In un mondo senza nome, Sonic the Hedgehog, Miles "Tails" Prower e Amy Rose cercano di salvare Cream the Rabbit e il suo animale Chao Cheese dallo scienziato pazzo Doctor Eggman, che ha già recuperato i sette Chaos Emerald. Mentre cerca di distruggere la sua base, uno dei robot di Eggman spara inavvertitamente a una macchina contenente gli Smeraldi, attivando la tecnica del "Chaos Control". Questo teletrasporta Sonic, Eggman (e i suoi robot), Tails, Amy, Cream e Cheese, oltre a Big the Cat (con la sua rana Froggy), Rouge the Bat, Knuckles the Echidna e i Chaotix (una squadra di investigatori composta da Vector the Crocodile, Espio the Chameleon e Charmy Bee) sulla Terra, la versione dell'universo parallelo del loro mondo con gli umani. Sonic viene inseguito dalla polizia, atterra nella piscina di una villa e viene salvato da un ragazzino di dodici anni di nome Chris Thorndyke, che vive lì con la madre Lindsey, star del cinema, il padre Nelson, dirigente d'azienda, il nonno Chuck, scienziato, la cameriera e cuoca Ella e il maggiordomo Tanaka. Chris cerca di nascondere gli amici antropomorfi alla sua famiglia fino a quando Cream non li rivela accidentalmente, ma tutti creano un buon rapporto con la famiglia di Chris e con gli amici di Chris, Danny, Francis e Helen. Il Dottor Eggman si fa notare portando il suo robot Missile Wrist ad attaccare la città di Station Square, nella sua prima tappa di conquista della Terra, che lo porterà a combattere per la prima volta con Sonic.
Sonic e i suoi amici vogliono ancora tornare a casa, quindi si scontrano ripetutamente per ottenere gli Smeraldi con il Dottor Eggman, i suoi assistenti robotici - Bokkun, iperattivo e desideroso di attenzioni, e Bocoe e Decoe, pasticcioni - e i suoi robot più grandi e armati. La lotta tra Sonic ed Eggman attira l'attenzione del presidente della nazione senza nome, quindi Knuckles, Rouge e l'agente federale Topaz collaborano per fermarlo. Gli altri abitanti antropomorfi si uniscono presto alla crociata e, quando Eggman viene sconfitto da Sonic con l'aiuto dei suoi amici, viene acclamato come un eroe insieme ai suoi amici.