Mario es invitado por la Princesa Peach al Festival de las Estrellas en el Reino Champiñón, un evento que ocurre cada 100 años. Sin embargo, Bowser interrumpe el evento con su ejército y, utilizando una flota de naves espaciales, secuestra a Peach junto con el castillo entero.

Bowser revela su plan: construir un nuevo imperio en el espacio con Peach como su reina.

¡Una aventura de proporciones cósmicas!

Mario intenta detenerlo, pero es derrotado por Kamek y es lanzado al espacio. Cuando despierta, se encuentra en una galaxia desconocida, donde conoce a los Lumas, pequeñas criaturas estelares, y a Rosalina, una misteriosa guardiana de las estrellas.

Rosalina vive en el Observatorio Cometa, una nave que actúa como base principal para Mario. Ella explica que Bowser ha robado las Estrellas de Poder del observatorio, dejando la nave incapaz de viajar. Mario se une a Rosalina para recuperar las estrellas, salvar a Peach y derrotar a Bowser.

La misión de Mario lo lleva a explorar diferentes galaxias, cada una con sus propios planetas únicos, desafíos y enemigos. En cada nivel, Mario recolecta Estrellas de Poder al completar misiones que implican derrotar enemigos, resolver acertijos y superar obstáculos gravitatorios.

Mientras avanza, Mario enfrenta a los secuaces de Bowser y sus versiones mecánicas gigantes, como Mega Goomba, King Kaliente y Bowser Jr., quienes intentan detenerlo.