Princess Peach is weer ontvoerd door Bowser, en aan jou om haar te zoeken en te redden. Je reist van sterrenstelsel naar sterrenstelsel en van planeet naar planeet. Onderweg kom je leuke puzzels en lastige eindbazen tegen. Mario kan helaas niet meer groter worden, maar zal met de nieuwe pop-ups veranderen in verschillende dingen zoals een bij of een spook.
De WiiMote wordt goed benut door deze op een paar veschillende manieren te gebruiken: zwiepen, richten en knopjes indrukken. De Nunchuck is wel nodig voor Super Mario Galaxy.

Super Mario Galaxy bevat ook een coöperatieve modus om samen te spelen.