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卡。安雅·泰勒-喬伊演繹的碧奇公主以全息投影形式提供關鍵線索，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。