Seperti pendahulunya, Sonic the Hedgehog 2 sukses, namun pengembangannya mengalami kendala bahasa dan perbedaan budaya antara pengembangnya di Jepang dan Amerika Serikat. Sementara STI mengembangkan Sonic 2, Pak Ohshima memimpin timnya di Jepang untuk menciptakan Sonic CD untuk asesoris CD-ROM-nya Sega Genesis, Sega CD. Amy, gadis cantik berambut pink yang sangat menyukai Sonic, pertama kali muncul di Sonic CD.
Segera setelah pengembangan Sonic 2 selesai, Pak Cerny keluar dari STI dan digantikan oleh Roger Hector. STI pun dipecah menjadi dua bagian: tim pengembang Jepang yang dipimpin oleh Pak Naka, dan tim pengembang Amerika. Tim pengembang Jepang pun mengembangkan Sonic the Hedgehog 3, yang dirilis pada tahun 1994 untuk Sega Genesis. Di game ini, saingan Sonic, Knuckles the Echidna yang berbulu merah, diperkenalkan. Di game ini pula Sonic dan Tails berusaha mendapatkan Chaos Emeralds untuk menghentikan Dr. Eggman dari meluncurkan kembali stasiun luar angkasanya, Death Egg, setelah mendarat darurat di pulau misterius.
Karena promosi yang akan datang dengan McDonald's dan batasan ukuran kartrid, proyek Sonic the Hedgehog 3 dibagi menjadi dua: Sonic 3 dirilis pada bulan Februari 1994 dan Sonic and Knuckles dirilis beberapa bulan kemudian.
Menyusul dirilisnya Sonic and Knuckles, Pak Naka kembali ke Jepang setelah ditawari pekerjaan sebagai produser di Sega. Beliau dipersatukan kembali dengan Pak Ohshima dan membawa Pak Takashi Iizuka dengannya, yang bekerja dengan tim Pak Naka di STI. Dengan kembalinya Pak Naka, Sonic Team secara resmi terbentuk sebagai brand.Â
Sonic Team mulai mengerjakan hak milik intelektual baru, Nights into Dreams (1996), yang dirilis untuk Sega Saturn. Di tahun yang sama, menuju penghujung siklus hidup Sega Genesis, Sega merilis Sonic 3D Blast.Â
Game ini adalah game Sonic terakhir yang dirilis untuk Genesis, dan dikembangkan sebagai karya terakhir untuk sistem tersebut. Meskipun Sonic 3D Blast laku keras, game tersebut dikritik karena gameplay-nya, kontrolnya, dan lambatnya kecepatannya. Karena Sonic Team sedang asyik dengan Nights into Dreams, Sonic 3D Blast dialihdayakan kepada Traveller's Tales, studio pengembang video game ternama asal Inggris.
Sementara itu, di Amerika Serikat, STI sedang mengerjakan Sonic X-treme, yang digadang-gadang menjadi game Sonic pertama yang 3D dan dirilis untuk Sega Saturn serta dimaksudkan untuk musim belanja liburan 1996. Pengembangan game ini terhalang oleh sengketa antara Sega Amerika dan Jepang, penolakan Pak Naka untuk membiarkan STI menggunakan mesin permainan serial Nights, dan masalah dalam mengadaptasi serial tersebut ke dalam bentuk 3D.Â
Setelah dua pengembang utama Sonic X-treme jatuh sakit, game tersebut batal. Karena pembatalan Sonic X-treme, Sonic 3D Blast di-port ke Sega Saturn dengan grafis yang lebih bagus dan level bonus yang dikembangkan oleh Sonic Team.
Setahun kemudian, tahun 1997, Sega mengumumkan "Project Sonic", sebuah kampanye promosi yang bertujuan untuk meningkatkan kesadaran pasar dan memperbarui kegembiraan terhadap merek Sonic. Rilisan pertama Project Sonic adalah Sonic Jam, kompilasi game utama Sonic yang dirilis untuk Genesis. Inilah game Sonic pertama yang 3D.
Sonic Team dan Traveller's Tales kembali berkolaborasi untuk mengembangkan game Project Sonic kedua, yaitu Sonic R, game balapan 3D dan satu-satunya game Sonic yang original untuk Sega Saturn. Pak Yasuhara kemudian pindah ke London untuk membantu pengembangan Sonic R.
Sonic Jam diterima dengan baik, sedangkan opini publik terhadap Sonic R terbagi-bagi. Batalnya Sonic X-treme serta kurangnya game Sonic untuk Sega Saturn dianggap sebagai faktor penting gagalnya konsol tersebut. Sega Saturn gagal, jadi ketika Sega merilis Dreamcast pada tahun 1998, konsol ini menjadi nyali terakhir mereka. Pak Iizuka kemudian memimpin pengembangan Sonic Adventure, sebuah game RPG dengan penekanan pada storytelling.Â
