クエストモードの難易度にはノーマルとハードがあり、ハードをクリアすると、新たにスペシャルというモードがプレイできるようになる。スペシャルモードでは敵キャラクターも隠し技を使ってくるなど明らかにCPUの思考パターンが変わっていて、より難しくなっている。ハードをクリアすると、2人対戦モードでボス以外のワルロボを使用可能になる。スペシャルをクリアすると、ボスキャラクターも使用可能になる。
各キャラクターは「パンチ」「強パンチ」「キック」「足払い」「ジャンプ」「ガード」といった基本動作に加えて、4つ（一部例外あり）の必殺技を持っていて、コマンド入力によって出すことができる（この作品では投げ技も必殺技に含まれる）。ファミリーコンピュータの性能の関係上キャラクターが技名などを叫ぶことはないが、必殺技を出すと、出した技の名前がヒットポイントメータの下に表示されるようになっている。なおこのゲームのコマンドにはナナメ入力は無く、他の格闘ゲームとは異なりファミコンの十字キーでも必殺技を出しやすい仕様となっている。また、ナナメ入力をすることで2つ分のキーを押したと認識されるので、逆にコマンドの省略をする事も可能である。いくつかのキャラクターの必殺技は、操作説明には無いコマンド入力による、間合い、軌道、威力などが異なるバリエーションを持つ。こういった隠し技を見つけることも、ユーザー間での楽しみの一つであった。
対戦は1対1。両キャラクターはヒットポイントメータ（いわゆる体力ゲージ）1本とハート2つを持つ。相手の攻撃を受けるとヒットポイントメータが減少、ゼロになると「ダウン（一般的な格闘ゲームのKOに相当する）」を取られ、ハートが1つ減り、メータが全回復する。このとき、相手をダウンさせた方のキャラクターはメータが少し回復する。ハートの無い状態でメータがゼロになった方(つまり、相手より先に3回ダウンした方)が負けとなり、そこで対戦が終了する。なお他の対戦型格闘ゲームと同様、両者の攻撃が同時にヒットすることもあり、これにより両者同時にメータがゼロになってダブルダウンという状況も発生する。両者ともハートが無い状態でそうなると「アイウチ（相討ち）」となり、対戦のやり直しとなる。対戦フィールドは左右に無限にスクロールする為、画面端に追いつめて飛び道具を連発する戦法（俗にいう「トリカゴ」）は取れなくなっている。短時間に連続してダメージ（キャラによって異なるが、だいたいメータ半分程度）を食らうと、キャラクターの頭部が地面に落ちてしばらく操作不能になる（『ストリートファイターII』でいうピヨリの状態）。
ロボット同士が戦う対戦型格闘ゲームで、上記の物語に沿ってイーロボ（味方ロボット）を操作しワルロボ（敵ロボット）を倒していく「クエストモード」と、物語に関係なく自由にキャラクターを選んで遊べる「対戦モード」が用意されている。クエストモードは1人プレイ専用。1ステージにつき8体（最初のステージのみ7体）のワルロボが存在し、これらを全て倒すとボス戦となり、ボスを倒せばステージクリア。計4ステージをクリアすればエンディングが流れ、ゲーム終了となる。なおバッテリーバックアップ機能が搭載されており、ゲームの進行状況はワルロボを1体倒す度に自動的に記録される。イーロボは合計8体で、どのイーロボでどのワルロボと戦うかは自由に選択できる。ただし最初のステージではイーロボは1体（スカポン）のみであり、ワルロボを倒すごとに各ワルロボがイーロボへと再改造され使用可能となる演出が挿入される。なお、最初のステージをプレイできるのはゲーム初プレイ時のみで、一度クリアした後は2ステージ目以降のステージしかプレイできない（ちなみにオプション画面からゲームデータをリセットすることができる）。ステージボスを倒した後に、「キメワザ」（各ワルロボを倒した最後の一撃）の映像が順にプレイバックされる演出がある。これのためになるべく格好良い倒し方を狙ったり、キメワザを統一したりといったユーザーこだわりの遊び方が生まれた。また一度全ステージをクリアすると、好きなステージを選んで遊べるようになる。対戦モードは「1Pvs2P（プレイヤー同士）」「1PvsCOM（プレイヤー対コンピュータ）」「COMvsCOM（コンピュータ同士）」の3種類があり、練習やコンピュータの思考パターンの観察も可能。同じロボット同士の対戦、いわゆる同キャラ対戦もできる。いずれも初期状態ではイーロボ8体しか使えないが、ある条件を満たすと使用できるロボットが追加される（詳細は#ゲーム難易度を参照）。
今作では各ステージが四つの時代を持っている。通常ステージは『現代』から始まるが、「Future」や「Past」と書かれたタイムワープマーカーに触れて一定以上の速度で走り続けると、『未来』あるいは『過去』にワープできる。現代は、エッグマンによる侵略が行われている時代。未来のステージはエッグマンに完全に占拠されて機械的になり、一部の建築･造型物が破損しているなど荒々しい雰囲気が流れている時代。過去はまだ侵略が始まっていない（または侵略直後の）時代で、自然が多く近代的な仕掛けや足場があまり無いのが特徴である。なおエッグマンと対決するゾーン3は、未来のステージしか存在しない。過去の時代は、各ラウンドのゾーン1と2両方のどこかに、現代の時代から過去の時代へ敵を転送するための機械が設置されている（現代の時代でも、破壊不能であるが転送装置がある）。これを破壊するとそのゾーンの過去の時代の敵は全滅し（現代の転送装置も連動して破壊される）、ゴール時のテロップが、「SONIC GOT THROUGH Zone 1」から「SONIC MADE A GOOD FUTURE IN Zone 1」と、未来を変えたことを表す文章になる。さらに、ゾーン1、2両方の機械を破壊すると未来の時代が変化し、自然と機械が融合したような明るく平和な世界になる。ゾーン3には未来のステージしか存在しないが、ゾーン1、2両方で未来を変化させると平和な未来、そうでない場合は侵略が行われ荒廃した未来となる。また、過去の時代にはメタルソニックのホログラムを映し出している機械があるが、これを破壊すると隠れていた動物達が現れ、画面上で飛び回るようになる。ソニックがタイムストーンを全て手に入れている場合、ステージに入った瞬間に過去の時代にある転送装置が自動的に破壊される。全てのラウンドの未来を変えた状態、あるいは、タイムストーンを全て集めてクリアすると真のエンディングが見られる。