Los competidores de toda la vida, Sonic y Mario, finalmente pueden resolver sus diferencias (pacíficamente) en los Juegos Olímpicos de 2008 en Beijing, China. La improbable combinación de las mascotas de Sega y Nintendo da como resultado una elección de 16 personajes, ocho de cada lado, en 16 eventos olímpicos oficiales. Cada personaje tiene distintas clasificaciones en velocidad, poder, habilidad y resistencia, con Sonic y Shadow superando a todos los rivales en pura rapidez. Partida única implica ganar medallas en una selección de eventos, mientras que el modo Circuito tiene jugadores que intentan ubicarse en tercer lugar o mejor en múltiples circuitos que abarcan de tres a cinco eventos. El modo Misión ofrece una variedad de desafíos individuales, con cada personaje enfrentando seis objetivos diferentes para completar.

Los eventos incluyen tiro al plato, tiro con arco, jabalina, tenis de mesa, trampolín, salto y dos exclusivos de DS: ciclismo y clavados en plataforma de 10 m.