Après avoir perdu contre Sonic dans Sonic Colours, Eggman aperçoit une entité capable de distordre l'espace-temps. Il décide de la contrôler pour effacer toutes ses défaites passées contre Sonic en faisant équipe avec son double du passé, le Dr Robotnik. Alors que ses amis lui préparaient un anniversaire surprise, l'univers de Sonic a été plongé dans le chaos lorsqu'une force mystérieuse a créé des failles temporelles les emportant dans cette dimension étrange. Sonic y rencontre son double, âgé de cinq ans de moins, lui aussi emporté par cette faille. Ensemble, ils doivent traverser les différentes époques afin de retrouver leurs amis et réparer la faille temporelle.