Во время битвы на одном из космических кораблей доктора Эггмана Соник попадает в коварную ловушку! Эггман использует устройство, чтобы извлечь силу Изумрудов Хаоса, и инвертирует её, посылая взрыв на планету под ним, который разносит Землю на куски, пробуждая существо по имени Тёмная Гайя. Поскольку Соник больше ему не нужен, доктор Эггман быстро выбрасывает его и теперь уже мёртвые Изумруды Хаоса в космос, где он совершает аварийную посадку на Землю.
Sonic Unleashed представляет собой сочетание двух игровых режимов: на дневных уровнях Соник предстаёт в своём обычном состоянии, с интенсивными скоростными уровнями, напоминающими его оригинальные игры. С наступлением ночи Соник превращается в чудовищного, но мощного «оборотня» с гибкими руками. На ночных уровнях ему предстоит пробираться сквозь трёхмерные локации, кишащие приспешниками Тёмной Гайи.
Побеждая врагов на уровнях обоих типов, игроки получают опыт, позволяющий им повышать как обычные способности Соника, так и способности оборотня, такие как скорость, сила, здоровье, боевые навыки и так далее. Также есть трёхмерные миры-хабы, которые можно исследовать как днём, так и ночью, и в каждом из них происходят разные события. Соник может помогать горожанам выполнять задания за предметы и награды, а также покупать предметы в магазинах, используя кольца, собранные на уровнях.
Друг Соника, Тейлз, также появляется на уровнях, где он летает на своём самолёте. На этих уровнях нужно нажимать соответствующие последовательности кнопок, чтобы сбивать приближающихся врагов.