馬里奧與路易吉重返蘑菇王國，意外卷入跨越銀河的冒險。酷霸綁架羅莎塔公主并企圖征服宇宙，馬里奧必須穿越七顆神秘星球收集能量星辰以啟動星際飛船。途中他與耀西、酷霸Jr.及蘑菇軍團(tuán)展開競速對決，在布麗·拉爾森配音的羅莎塔公主指引下破解重力迷宮與熔巖星域等奇觀關(guān)卡。安雅·泰勒-喬伊演繹的碧奇公主以全息投影形式提供關(guān)鍵線索，而唐納德·格洛弗聲演的反派以引力操控裝置制造終極對決。馬里奧在銀河核心與酷霸展開3D軌道追逐戰(zhàn)，最終利用星辰能量將其封印，解救所有被石化角色并重建星系平衡。