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Sonic the Hedgehog é um jogo de plataforma 2D de rolagem lateral, cuja jogabilidade gira em torno da habilidade de Sonic de correr em alta velocidade através de níveis que incorporam molas, encostas, quedas altas e loopings. Os níveis contêm perigos na forma de robôs ("badniks" nos manuais de jogos ocidentais) nos quais o Dr. Robotnik prendeu animais. Embora destruir um robô liberte o animal que está dentro dele, isso não é necessário para completar o jogo. O jogador deve evitar fileiras de pontas afiadas, cair em poços sem fundo, ser esmagado por paredes ou plataformas móveis e afogamento (o que pode ser evitado respirando bolhas de ar liberadas periodicamente pelas aberturas de ventilação). O principal ataque de Sonic é seu giro, onde ele se enrola em uma bola e gira rapidamente (danificando inimigos e alguns obstáculos). Isso pode ser feito saltando no ar ou rolando no chão.

Espalhados por cada mapa de nível estão anéis de ouro e coletar 100 anéis recompensa o jogador com uma vida extra. Os anéis são uma camada de proteção contra perigos; se Sonic tiver pelo menos um anel ao colidir com um inimigo, ele sobreviverá. Contudo, todos os seus anéis serão espalhados; eles piscarão e desaparecerão em alguns segundos se não forem apanhados novamente. Se Sonic for atingido sem nenhum anel, ele perde uma vida. Embora escudos e invencibilidade temporária possam ser coletados para fornecer proteção adicional, certos perigos (como afogamento, ser esmagado, cair em um poço sem fundo ou ficar sem tempo) custarão uma vida a Sonic, independentemente de anéis ou outra proteção.

O jogo é dividido em seis zonas (Green Hill, Marble, Spring Yard, Labyrinth, Star Light e Scrap Brain), cada uma com seu próprio estilo visual e inimigos. O jogador deve navegar por cada zona (subdividida em três atos) para progredir.

No final do terceiro ato de cada zona, o jogador enfrenta o Dr. Robotnik (que pilota um veículo diferente a cada vez) em uma luta contra um chefe. Após a sexta zona, o jogador segue diretamente para a Zona Final para um último encontro com Robotnik. Eles começam com três vidas (power-ups e anéis acrescentam mais), que são perdidas quando Sonic colide com inimigos perigosos (ou objetos) sem anéis, cai fora da tela ou excede o limite de dez minutos de um ato. Postes de luz que atuam como pontos de controle permitem que Sonic retorne ao posto ativado mais recentemente quando perde uma vida. Se ele perder uma vida como resultado do tempo acabar, mas tiver outra vida, o cronômetro será zerado para 0:00 quando ele retornar ao posto de controle. Se todas as vidas forem perdidas em algum momento do jogo, a tela de game over aparecerá (quando o jogador pode retornar ao início do ato com três vidas, caso tenha alguma continuação).

Quando Sonic chega ao final do primeiro ou segundo ato de uma zona com pelo menos cinquenta anéis, um grande anel aparece através do qual ele pode pular para entrar em um Estágio Especial (uma "Zona Secreta" no manual original do Genesis). Em cada uma das seis fases especiais, Sonic ricocheteia nos pára-choques e nas paredes de um labirinto giratório em um ataque giratório. Embora o jogador ganhe uma continuação a cada 50 anéis encontrados, seu objetivo principal é obter a Esmeralda do Caos no final do labirinto sem colidir com um “bloco de gol” (que encerra o nível).