Марио, пройдя испытания Грибного королевства и одолев Боузера, наконец находит время для отдыха. Он засыпает у замка, думая, что все трудности позади. Но его спокойствие оказывается недолгим. В разгар праздника небо внезапно темнеет, и в воздухе появляется вражеский флот. Боузер неожиданно возвращается и похищает принцессу Пич вместе с дворцом. Попытка Марио остановить его терпит неудачу. Его отбрасывает в холодную, неизведанную галактику.

Там его встречают Розалина и загадочный Люма. Их обсерватория почти разрушена, силы на исходе. Чтобы восстановить путь домой, им нужны звезды. Марио отправляется в опасное приключение, чтобы собрать их. Миры меняются, враги становятся сильнее. Победа кажется ближе, но космос на грани разрушения.