宇宙の果てで平和に暮らしていたソニックは、ある日その強い力を狙うナックルズ族に襲われることになる。その際、ソニックの育ての親であるフクロウのロングクローが怪我をしてしまう。ロングクロ―は彼を守るために他の惑星へのポータルを作り出すことができるリングで、地球への道を開いて、彼を逃がす。消えゆくポータルの向こう側で、ソニックが最後に見たのはナックルズ族に立ち向かうロングクローの姿であった。それから10年後、ソニックはモンタナ州グリーンヒルズの町の近くで誰にも見つからないように一人での生活を楽しむ一方で、孤独な生活によるさみしさも感じていた。そんな中、ソニックが観察して楽しんでいる人間の一人であるグリーンヒルズの保安官トムとその妻であり獣医師であるマディが、トムの夢でもあるサンフランシスコ市警察への転職のため、近いうちにサンフランシスコに引っ越すことを計画していることに、ソニックは気付く。 ある夜、一人で野球をしていたソニックは、自らの孤独を再認識し、その気持ちをかき消すかのように超音速でグラウンドを走り回ったことで、太平洋岸北西部全体の電力を破壊するほどの電磁パルスを発生させてしまう。翌日、電磁パルス発生の原因を解明するためにアメリカ軍による調査が開始されるも、国防総省からの依頼により調査に参加した天才科学者のドクター・ロボトニックが調査の指揮をすることになる。ドクター・ロボトニックは、大量のドローンを使って、ソニックの痕跡を発見し、その行方を捜すことにする。トムの小屋に逃げ込んだソニックだったが、油断していたためトムに見つかり、しかも麻酔銃で撃たれてしまう。その際に、偶然開かれたポータルがサンフランシスコへと通じたことで、リングが入った袋を誤ってサンフランシスコに送り込んでしまう。ソニックの存在に驚くトムだったが、痕跡を追ってきたドクター・ロボトニックがトムの家にたどり着いたことで、ソニックを助けることにしぶしぶ同意し、二人でその場を逃げ出す。二人はトムをテロリストとみなすドクター・ロボトニックから逃げつつ、本当の友達が欲しいと願うソニックの気持ちをトムが知ることで、徐々に絆を深めていく。 ドクター・ロボトニックはソニックの身体から抜け落ちた針を手に入れ、その力がロボットに燃料を供給する可能性があることを発見する。そして、さらに多くの力を手に入れるためにソニックを捉えることに躍起になる。ドクター・ロボトニックからの逃走中、トムはソニックにグリーンヒルズから引っ越すことについて話すのだが、ソニックは彼の考えに同意できないと述べる。そうこうするうちにロボトニックから送り込まれたドローンが二人に追いつくが、二人で力を合わせて倒すことに成功する。しかし、倒した直後の爆発によりソニックが負傷してしまう。2人はサンフランシスコに到着し、トムはソニックをマディのところへ連れて行き、治療してもらう。実姉の家に滞在中のマディにトムが状況を説明している間、ソニックはマディの姪から新しいスニーカーを受け取る。そして、3人は、ソニックのリングが入った袋が落ちた場所であるトランスアメリカピラミッドに向かい、リングを取り戻す。 しかし、ホバークラフトに乗ったロボトニックが現れ、攻撃を始めたので、ソニックはトムとマディを救うためにやむなくリングでもって2人をグリーンヒルズに送り返す。 ソニックはロボトニックから超音速で離れるも、ロボトニックは彼の針の力を使って超音速に合わせて追ってくる。 2人は世界中を駆け回り、最終的にグリーンヒルズへと戻る。 そこで、ようやくロボトニックはソニックを無力化するが、トムや他の町民が助けに入ったことで、ソニックは復活し、さらには失われていたエネルギーを取り戻す。今度はこっちの番だとソニックは超音速でロボトニックを圧倒し、キノコの惑星に彼を送り込むことで彼を倒す。 事件の後、トムとマディはグリーンヒルズにとどまり、ソニックは彼らと暮らすことにする。アメリカ政府は、厄介者でもあったロボトニックの存在の記録を含む事件のすべての証拠を消去する。しかし、その間も、まだソニックの針を所持しているロボトニックはキノコの惑星で生き延び、ソニックへの復讐を企て始める。 クレジットの途中で、テイルスがソニックを探してリングポータルから現れる。
