Dr. Eggman quer mudar seus caminhos, abrindo um novo parque temático enorme flutuando curiosamente acima do planeta. Sonic, desconfiado de seu inimigo, visita o parque temático e descobre a verdadeira história do mal: o parque existe graças a uma raça alienígena conhecida como Wisps, criaturas poderosas que o Dr. Eggman sequestrou. Sonic concorda em libertá-los do parque de diversões, mas ele não poderá fazer isso sem a ajuda dos Wisps.
Em um retorno ao clássico jogo de plataformas Sonics de antigamente, Sonic Colorsusa a largura total de ambas as telas do Nintendo DS para apresentar uma aventura de rolagem lateral 2D de proporções coloridas. Sonic tem a ajuda das habilidades únicas dos Wisps, como perfurar no subsolo ou voar alto, para ajudá-lo em sua busca para recuperar as Esmeraldas do Caos e parar o plano perigoso do Dr. Eggman. Seis Wisps estão à disposição de Sonic, embora seus efeitos durem apenas uma quantidade limitada de tempo. Quatro deles, Branco, Azul, Amarelo e Laranja, são semelhantes aos Wisps vistos no irmão mais velho do jogo para celular Sonic Colors para o Nintendo Wii. Dois outros Wisps, Red (transformando Sonic em uma bola de fogo letal) e Velvet (que permite que Sonic flutue no ar e sugue anéis e itens próximos), são exclusivos da plataforma DS.
Um modo multiplayer está incluído, permitindo que dois jogadores compitam em vários níveis para alcançar o objetivo final primeiro, juntamente com um modo de ataque de tempo.