电影开篇，在日本的监狱岛，G.U.N. 的安保人员密切监视着刺猬暗影(由基努・里维斯配音)，他已被冷冻休眠了 50 年。暗影时常回忆起一个叫玛丽亚(艾莉拉・布朗恩配音)的女孩。突然，有人黑进了安保系统，导致暗影苏醒。更多的 G.U.N. 特工在暗影冲破他的休眠舱之前涌入了这个地方。暗影利用传送能力攻击特工，将他们全部击倒后逃脱。
在绿丘镇，索尼克(本・施瓦茨配音)、塔尔斯(科琳・欧肖内希配音)和纳克鲁斯(伊德里斯・艾尔巴配音)进行了一场比赛，看他们之中谁是最快的。索尼克最终被全息影像欺骗，回去后发现塔尔斯、纳克鲁斯以及汤姆(詹姆斯・麦斯登配音)和玛蒂(蒂卡・桑普特配音)(还有小狗奥兹)为索尼克来到地球的周年纪念日准备了一场庆祝活动。后来，索尼克和汤姆来到了索尼克在遇到沃卓斯基一家之前居住的旧洞穴。他们看到了索尼克画的朗克劳的画，他承认他仍然想念她。汤姆告诉索尼克，尽管他经历了这么多，但他从未改变自己的本性。
庆祝活动被 G.U.N. 特工打断，特工由罗克韦尔局长(克里斯滕・里特配音)带领。她把索尼克、塔尔斯和纳克鲁斯带到日本处理一件紧急事情。他们降落在东京，暗影在与更多的 G.U.N. 特工战斗后造成了破坏。索尼克团队试图与他对抗，但他速度太快且力量强大。索尼克在后面追赶，而暗影骑着摩托车向他开枪。最后暗影从索尼克的视线中逃离。
三人来到 Chao 花园，见到了沃尔特斯指挥官(詹姆斯・沃克配音)。他向他们解释说，暗影是在一颗坠落到地球的陨石中被发现的。他拥有混沌能量，被认为太危险了。对他进行实验的实验室发生了爆炸，测试他的教授被逮捕并监禁。片刻之后，蛋头博士的无人机来袭，对沃尔特斯造成了致命伤(推测)，但在他死前，他给了索尼克团队一张通往 G.U.N. 秘密武器的钥匙卡。一个神秘的骑手闯入并在离开前摧毁了无人机。三人在罗克韦尔和其他特工到达之前逃离，而罗克韦尔认为是他们偷走了卡片。
索尼克团队追上了骑手，原来是斯通特工(李・马贾杜布配音)。他声称他和艾沃・罗伯尼克博士(金・凯瑞配音)与暗影的逃脱无关。斯通把三人带到一只巨大的机械螃蟹中，并把他们带到艾沃那里，自从上次失败后，艾沃陷入了垃圾食品的抑郁之中。索尼克、塔尔斯和纳克鲁斯在索尼克给了艾格曼一根他的刺后，勉强同意与艾沃和斯通结盟。
暗影来到旧的 G.U.N. 设施。他回忆起与玛丽亚在一起的时光，他们建立了深厚的友谊。就在索尼克和其他人到达时，暗影被他的创造者发现。除了艾沃之外，所有人都失去了行动能力，艾沃第一次与他的祖父杰拉尔德(也是金・凯瑞配音)面对面。艾沃很高兴他的家族成员还活着。罗伯尼克一家和暗影把索尼克、塔尔斯和纳克鲁斯绑了起来，杰拉尔德解释说他需要第二张钥匙卡来激活日食加农炮，这是一种隐藏在 G.U.N. 总部下方的超级武器，由混沌能量提供动力，能够毁灭全球。在暗影拿走他们已经拥有的钥匙卡后，反派们激活了一个黑洞，将整个设施吸走，留下索尼克团队。三人设法抓住一个传送环，打开一个传送门逃离了那里。
艾沃和杰拉尔德开始在虚拟模拟中共度时光，以弥补失去的时间。这让斯通感到被他一直忠诚的人忽视和冷落。
三人回到汤姆和玛蒂那里寻求帮助。他们前往伦敦的 G.U.N. 总部，因为那是杰拉尔德和暗影使用日食加农炮的主要目标。汤姆和玛蒂穿上套装伪装成瑞秋(娜塔莎・罗斯韦尔配音)和兰德尔(谢玛・摩尔配音)混了进去。他们插入一个驱动器，让塔尔斯黑进系统并关闭能量护盾，以便索尼克进入。当他们找到存放钥匙卡的房间时，他们发现艾沃和杰拉尔德已经穿着他们自己的超级套装进入了房间。在他们拿到钥匙卡之前，罗克韦尔找到了他们，并操纵了房间里的重力，然后其他特工涌入。纳克鲁斯闯入救了他们，但他砸碎了重力键盘，导致每个人要么漂浮起来，要么被粘在地上。罗克韦尔最终拿到了钥匙卡并逃脱，但汤姆伪装成沃尔特斯指挥官，骗罗克韦尔把钥匙卡给了他。
暗影看到伪装的汤姆，以为是沃尔特斯，出于报复打了他一拳。汤姆被打昏了，索尼克惊慌地跑到他身边，这让暗影想起了他与玛丽亚的最后时刻。他逃离了现场，就在玛蒂冲向汤姆身边的时候。汤姆被送往医院，索尼克愤怒到要向暗影复仇。他让纳克鲁斯告诉他混沌翡翠在哪里，这样他就可以再次变成超级索尼克，但纳克鲁斯拒绝了，因为他发誓要守护它，因为它太强大了。塔尔斯试图让他们冷静下来，但纳克鲁斯让步了，告诉索尼克它由韦德(亚当・帕利配音)保管。索尼克去找他并拿走了翡翠。
反派们从泰晤士河中升起日食加农炮，并将其带入太空。然而，艾沃惊恐地发现杰拉尔德并不打算统治地球，而是要毁灭它。另一个闪回揭示，G.U.N. 特工冲进设施要杀死暗影，但一颗流弹导致了爆炸，杀死了玛丽亚。这使得杰拉尔德和暗影向全人类复仇。超级索尼克随后高速飞行，冲破设施与暗影战斗。两只刺猬在坠入一片田野后展开激战，但暗影嘲笑索尼克为了复仇而抛弃了他的朋友和家人。索尼克回应说，一拳把暗影打到了月球上。在索尼克能给予致命一击之前，他停了下来，意识到这不是他的本性。他和暗影表达了他们对失去的人的痛苦(玛丽亚和朗克劳)，但索尼克告诉他复仇不能解决问题。他们决定一起合作拯救世界。
在杰拉尔德承认他从未像看待玛丽亚那样看待艾沃后，艾沃背叛了他。杰拉尔德试图把艾沃扔下去摔死他，但他和塔尔斯、纳克鲁斯一起从一个传送门中升起，艾沃用索尼克的超级充电刺戳了杰拉尔德的屁股，把他扔进混沌能量场并将他蒸发。艾沃、塔尔斯和纳克鲁斯然后试图改变日食加农炮的轨迹，而索尼克和暗影则在混沌翡翠的力量下挡住了爆炸。他们成功地将其从地球引开，但最终击中了月球。索尼克开始失去意识地向地球坠落，当塔尔斯试图救他时，他也失去了意识，但纳克鲁斯最终救了他们两个。索尼克为他像那样抛弃朋友向他们道歉，但塔尔斯和纳克鲁斯原谅了他。
日食加农炮的核心即将过载。艾沃决定用他和暗影在一起的最后时刻把加农炮从地球移开。艾沃向地球发出最后一道信号，斯通在伦敦看到了它。艾沃感谢他一直忠诚，是他唯一的朋友。暗影在加农炮被摧毁之前将其推离地球。斯通向艾格曼告别。
英雄们回到绿丘镇，汤姆从伤势中恢复。索尼克、塔尔斯和纳克鲁斯然后再次进行比赛，看他们之中谁才是真正最快的。
中段字幕场景：索尼克一路跑到纽约的一个公园。他随后遇到了金属索尼克。在它攻击他之前，刺猬把它打倒了，但随后一整支金属索尼克军队出现了。他们都被另一只刺猬 —— 艾咪・罗斯打倒了。
片尾字幕场景：暗影被显示在爆炸中幸存下来，并捡起了他的一个抑制环。
索尼克、塔尔斯和纳克鲁斯被召唤去对抗刺猬暗影，他在休眠 50 年后苏醒。这是由艾沃 / 蛋头博士的祖父杰拉尔德・罗伯尼克所为，因为杰拉尔德和暗影都因杰拉尔德的孙女玛丽亚的死亡而向 G.U.N. 和全人类复仇，玛丽亚是暗影唯一的朋友。在与艾沃和斯通特工短暂结盟后，两人加入了杰拉尔德和暗影的邪恶计划。
索尼克团队把汤姆和玛蒂带到伦敦，帮助他们闯入 G.U.N. 总部，因为反派需要两张钥匙卡来激活位于设施下方的日食加农炮。暗影重伤了汤姆，促使索尼克寻求复仇。他让纳克鲁斯告诉他混沌翡翠的位置(由韦德保管)，以便他再次变成超级索尼克。
当他们把日食加农炮带入太空时，艾沃惊恐地发现杰拉尔德想要毁灭世界而不是征服它，并且他从未像对待玛丽亚那样关心过艾沃。索尼克与暗影战斗，差点杀了他，但他停了下来，意识到复仇不能解决任何问题。索尼克和暗影联手阻止日食加农炮击中地球。杰拉尔德试图杀死艾沃，但在塔尔斯和纳克鲁斯的帮助下，艾沃用索尼克的超级充电刺将杰拉尔德击入加农炮的能量场，将他蒸发。索尼克和暗影能够挡住爆炸，而艾沃、塔尔斯和纳克鲁斯则改变了爆炸的轨迹。索尼克团队安全逃脱，但加农炮的核心过载。艾沃决定留下来防止加农炮在地球附近爆炸，暗影将其推离。艾沃还向斯通发送了告别信号，感谢他是他唯一忠诚的朋友。
汤姆从伤势中恢复，索尼克团队庆祝又一次胜利。索尼克一路跑到纽约，在那里他遇到了一支金属索尼克军队，还有粉色刺猬艾咪・罗斯。与此同时，暗影被显示在爆炸中幸存下来。
