Pembangunan Sonic Mania bermula pada tahun 2015, dipimpin oleh pengaturcara Australia, Christian "Taxman" Whitehead. Whitehead adalah seorang ahli terkenal dalam komuniti fangame Sonic, dan sebelum ini telah dikontrak oleh Sega untuk mengembangkan port remastered Sonic the Hedgehog, Sonic 2, dan Sonic CD untuk telefon mudah alih.[16] Selepas beberapa bulan membangunkan permainan, Whitehead mempersembahkan prototaipnya, yang disebut Sonic Discovery, kepada pengeluar siri, Takashi Iizuka. Iizuka menerima cadangannya dan mencadangkan agar permainan ini menyertakan tahap lama dari permainan Sonic asal yang diilhamkan olehnya, "dicampur semula" dengan gaya yang dianggap baru. Beliau juga memberikan tajuk kerja Sonic Mania, yang terpilih selepas tiada cadangan yang lebih baik. Tajuk ini merujuk kepada kegilaan peminat dalam pasukan pembangunan bagi siri ini; Iizuka menggambarkan projek ini sebagai hasil "mania, untuk mania," dan sebagai "produk keghairahan" yang digerakkan oleh cinta peminat terhadap permainan Sonic asal.[17]

Sonic Mania dihasilkan sebagai perayaan ulang tahun ke-25 bagi siri tersebut.[18] Ia dibangunkan menggunakan Enjin Retro Whitehead, enjin permainan yang disesuaikan untuk mencipta permainan dua dimensi, yang juga digunakan untuk port dipertingkatkan Sonic the Hedgehog, Sonic 2, dan Sonic CD.[19][20] Pasukan pembangunan juga melibatkan pengaturcara Simon "Stealth" Thomley dari studio bebas Headcannon, yang membantu Whitehead dalam projek-projek ini dan terlibat dalam pelbagai fangames Sonic dan hacks ROM.[21][22] Serta itu, pereka peringkat Jared Kasl dan pengarah seni Tom Fry dari PagodaWest Games juga turut membantu. Mereka sebelum ini bekerjasama secara bebas dalam pembikinan semula tidak rasmi Sonic 2 dengan definisi tinggi. Tantalus Media turut membantu dalam pembangunan port Nintendo Switch. Iizuka dan anggota Pasukan Sonic yang lain memberikan bimbingan dan memastikan pasukan pembangunan berpegang kepada panduan agar permainan ini tidak "menyimpang daripada identiti Sonic".[23] Iizuka menggambarkan aspek visual permainan sebagai persilangan antara keupayaan grafik Genesis dan Sega Saturn, terdiri daripada seni piksel utama dengan beberapa elemen grafik poligon.

Pembangun memodelkan permainan berdasarkan Sonic 3, dengan pertarungan bos di hujung setiap zon. Untuk tahap permainan semula, pereka bentuk membuat aksi pertama untuk terasa biasa, sementara memperkenalkan elemen baharu dalam aksi kedua.[24] Pasukan itu merujuk kepada Sonic CD dan Sonic 3 sebagai pengaruh utama untuk reka bentuk tahap yang "luas dan terbuka" serta "seimbang" mereka. Menurut Thomley, pasukan biasanya membuat keputusan tentang elemen apa yang perlu dimasukkan dalam peringkat sebelum mereka membentuknya, tetapi kadang-kadang mencipta idea baru atau mengubahnya berdasarkan perkembangan pembangunan.[25] Tahap asal pertama yang direka ialah Zon Studiopolis dengan tema Hollywood. Zon Mirage Saloon yang bertema padang pasir diilhamkan oleh tahap yang belum selesai dalam Sonic 2 dan wilayah Monument Valley di Amerika Syarikat. Pentas khas diilhamkan oleh permainan yang lebih baru seperti Sonic Rush (2005) dan Sonic Colors (2010). Pasukan merasa bangga dengan usaha mereka dalam merekreasi permainan Sonic klasik.[26]

Permainan ini menampilkan urutan pembukaan dan penamat animasi yang diketuai oleh Tyson Hesse, seorang artis komik Sonic dari Archie Comics.[27] Ia juga menyertakan pilihan penapis grafik CRT dan menyokong ciri yang ditingkatkan bagi kedua-dua PlayStation 4 Pro dan Xbox One X,[28] yang dikeluarkan pada resolusi 4K asli.[29] [30] Runut bunyi permainan ini digubah oleh Tee Lopes dari PagodaWest Games, yang terdiri daripada potongan yang diubahsuai daripada permainan Sonic sebelumnya bersama dengan bahan baru.[31] Lopes dipilih kerana popularitinya di YouTube dalam menghasilkan versi variasi lagu Sonic dan kerjanya pada projek Sonic 2 HD.[32] Pada awalnya, Lopes ingin skornya meniru runut bunyi CD Sonic, cuba membayangkan bagaimana bunyi sekuelnya. Seiring dengan perkembangan pembangunan, dia mengambil inspirasi dari permainan Sonic dan Sega lain, seperti The Revenge of Shinobi (1989) dan permainan Sega Rally, serta dari muzik popular tahun 1990-an, termasuk karya Michael Jackson. Tema untuk treler yang diberi judul "Checkpoint" dikomposisi oleh kumpulan muzik elektronik Hyper Potions dan Nitro Fun, manakala tema pembukaan yang diberi judul "Friends" dikomposisi oleh Hyper Potions.