В Sega All-Stars Racing доступно 20 персонажей, 12 из которых нужно разблокировать в процессе игры. Три дополнительных персонажа, не связанных с франшизой Sega, доступны только на определенных консолях, а два дополнительных персонажа были выпущены в качестве платного контента для Xbox 360 и PlayStation 3 (Банджо и Казуи, Метал Соник). В аркадной версии меньше контента: всего 13 персонажей и треков …

В игре есть мультиплеер, поддерживающий до четырёх игроков на разделённом экране, а в версиях для PlayStation 3 и Xbox 360 до восьми игроков через интернет.

Игровой процесс - Персонажи мчатся по различным гоночным трассам, из разных игр Sega, и собирают бонусы, чтобы увеличить скорость или помешать соперникам. Предметы обладают эффектом «камень-ножницы-бумага», при котором одни можно использовать для защиты от других. Кроме того, если у игрока есть три одинаковых предмета, он может выстрелить или активировать их одновременно ...

Дополнительный бонус можно получить за успешное выполнение дрифта (чем дольше дрифт, тем больше бонус) или за трюки в воздухе. Как в игре Sega Superstars Tennis, у каждого персонажа есть особая способность (звездный прием), которую он может использовать в своих интересах. Продолжительность каждого «звездного» хода зависит от текущего положения персонажа. Из-за проблем с задержкой в сети «звездные» ходы невозможны в онлайн гонках …

При прохождении игры пользователь зарабатывает очки, которые могут быть потрачены в магазине на разблокирование новых персонажей, трасс и музыки.

В игре есть четыре режима для одиночной игры: «Гран-при», «Одиночная гонка», «Миссии» и «Испытания на время», а также режимы для многопользовательской игры на разделенном экране, в которых могут участвовать до 4 игроков: «Гонка», «Нокаут», «Царь горы», «Захват» и «Захват Чао» …

Транспортные средства разделены на 3 категории: автомобили, мотоциклы и судна на воздушной подушке. Автомобили различаются по весу и скорости, и на некоторых участках они показывают лучшие результаты, чем на других.

Мотоциклы быстро разгоняются и могут выполнять трюки на земле для дополнительного ускорения, но их легко могут обогнать более тяжелые транспортные средства. Судам на воздушной подушке не помеха рельеф местности, и после прыжка они могут выполнять множество трюков, но у них хуже управляемость и очень низкое ускорение …

В 2012 году вышло продолжение, Sonic & All-Stars Racing Transformed, в котором было больше персонажей и представлены новые франшизы, принадлежащие Sega.