Sonic Superstars marque le retour du hérisson bleu dans un registre qu'il n'avait plus pleinement exploré depuis plusieurs années : la plateforme en défilement latéral 2D, revisitée avec une direction artistique en 3D temps réel. Développé conjointement par Arzest et Sonic Team, puis publié par Sega, le titre s'inspire directement de la structure des jeux Sonic parus sur Mega Drive dans les années 1990. La volonté affichée de Takashi Iizuka, directeur de Sonic Team, était de moderniser la formule classique du défilement latéral afin qu'elle puisse se poursuivre de façon autonome, indépendamment des épisodes en 3D.
Sur le plan de la genèse du projet, Iizuka a engagé une collaboration avec Arzest, un studio fondé par Naoto Ohshima, co-créateur original de Sonic. Ce projet marque ainsi le premier retour d'Ohshima sur la licence depuis Sonic Adventure, sorti en 1998. Le jeu adopte par ailleurs le style narratif dit « classique » de la série : pas de doublages ni de monologues, la progression de l'histoire repose entièrement sur les actions et la gestuelle des personnages à l'écran.
Le cadre de l'aventure est un archipel entièrement inédit, les Northstar Islands. Sonic, Tails, Knuckles et Amy y affrontent le Dr. Eggman, qui s'est allié au chasseur de primes Fang ainsi qu'à un nouveau personnage mystérieux nommé Trip the Sungazer. Comme dans les épisodes fondateurs de la série, Eggman cherche à capturer les animaux pour alimenter son armée de robots, et Sonic part avec ses compagnons pour contrecarrer ses plans. Trip est un personnage entièrement nouveau, conçu par Naoto Ohshima lui-même. Une fois la campagne principale terminée, une seconde aventure plus difficile se déverrouille, dans laquelle Trip devient le seul personnage jouable.
Chacun des quatre personnages jouables dispose d'un ensemble de capacités propres. Sonic remonte facilement les pentes et peut enchaîner les mouvements de vitesse ; Tails peut voler brièvement en maintenant la touche de saut ; Knuckles peut planer et grimper aux murs ; Amy effectue un double saut et frappe avec son marteau autour d'elle en maintenant le saut. La technique du Spin Dash est également de la partie : il suffit d'incliner le stick vers le bas tout en appuyant sur la touche de saut depuis une position arrêtée pour l'exécuter. Les contrôles restent accessibles dans l'ensemble, articulés autour du stick directionnel et d'un bouton de saut.
La principale nouveauté mécanique de Sonic Superstars réside dans les Emerald Powers. Chaque Émeraude du Chaos, une fois collectée, débloque immédiatement un pouvoir spécial, en plus de la transformation Super propre à chaque personnage lorsque les sept sont réunies. Ces sept capacités permettent d'interagir différemment avec les ennemis et de traverser les niveaux par des voies inédites, ouvrant l'accès à des secrets et à des chemins alternatifs. Parmi les effets disponibles : se multiplier en clones, remonter des cascades à contre-courant, ralentir le temps ou révéler des éléments cachés dans l'environnement. L'idée de ces pouvoirs est née du souhait de l'équipe de développement d'apporter quelque chose d'unique au gameplay : plutôt que de réserver la transformation Super à la collecte des sept Émeraudes en une seule fois, chaque gemme apporte désormais une récompense immédiate et individuelle. Les pouvoirs ont été rendus optionnels pour ne pas interférer avec le gameplay classique, et des indicateurs visuels signalent les moments où leur utilisation peut s'avérer pertinente. Leur usage est limité à une activation par checkpoint, ce qui oblige le joueur à réfléchir au moment le plus opportun pour les déclencher.
Les Émeraudes du Chaos se récupèrent progressivement au fil de l'aventure : chaque gemme collectée octroie une nouvelle capacité spéciale. Elles sont accessibles via des anneaux géants dissimulés dans chaque acte, qui donnent accès à des stages spéciaux en environnement 3D où le joueur doit atteindre l'Émeraude avant que le temps ne soit écoulé. Par ailleurs, dès lors qu'un joueur dépasse les 50 anneaux et passe un checkpoint, un portail de bonus s'ouvre, donnant accès à différentes récompenses : médailles pour le mode Battle, Émeraudes du Chaos ou simples pièces à collecter.
Du côté de la structure des niveaux, le jeu comprend douze Zones, toutes entièrement originales. Ces Zones s'organisent selon une structure proche de celle de Sonic 3 & Knuckles et de Sonic Mania, avec la plupart des Zones découpées en deux Actes, chacun se concluant par un boss. Entre les niveaux, le joueur navigue dans un hub monde en 2D depuis lequel il sélectionne une Zone et peut personnaliser ou changer de personnage. La campagne principale dure environ quatre heures en jouant un seul personnage, et peut s'étendre à environ quinze heures pour compléter l'aventure avec chacun des personnages disponibles. Contrairement aux anciens épisodes en 2D, Sonic Superstars ne comporte pas de système de vies : il n'est donc pas possible d'obtenir de game over.
Sur le plan du multijoueur, Sonic Superstars propose plusieurs configurations. Pour la première fois dans un jeu Sonic, l'intégralité de la campagne est jouable à quatre joueurs en coopération locale, avec un système d'entrée et de sortie à la volée. Le jeu comprend également un mode Battle, qui se déroule dans un laboratoire secret du Dr. Eggman. Les joueurs y incarnent des robots personnalisables appelés « Metal Fighters » et s'affrontent dans plusieurs mini-jeux distincts. Ces compétitions prennent diverses formes : courses, combats, épreuves de collecte et affrontements en « dernier survivant ». Les médailles récoltées dans la campagne principale servent de monnaie pour acheter des pièces et personnaliser ces robots. Le mode Battle peut réunir jusqu'à huit joueurs, en local ou en ligne. Ce mode versus est également compatible avec le jeu cross-plateforme. En complément, un mode Time Attack est disponible, jouable en solo comme en multijoueur.
Sur Nintendo Switch, le jeu tourne à 60 images par seconde de façon stable, y compris lors des sessions multijoueur avec plusieurs personnages simultanément à l'écran. Certaines fonctionnalités en ligne, dont le mode Battle en réseau, nécessitent un abonnement actif à Nintendo Switch Online. Le multijoueur requiert une manette compatible par joueur supplémentaire, vendue séparément.
