Dopo la vittoria su Bowser, la pace a Brooklyn e nel Regno dei Funghi è minacciata da una nuova e temibile alleanza tra Wario e Bowser Jr., decisi a completare l'opera di conquista del loro predecessore. La battaglia si sposta rapidamente oltre l'atmosfera terrestre, portando Mario, Luigi, Peach e Toad a esplorare lo spazio profondo.

In questa odissea cosmica, il gruppo riceve il supporto fondamentale di Rosalina e del suo Osservatorio Cometa, che funge da guida e base operativa tra pianeti bizzarri e creature mai viste. Con l'ingresso in squadra del fedele Yoshi, i protagonisti dovranno affrontare spettacolari battaglie interstellari e sventare gli intrighi di Bowser Jr., in un'avventura epica che metterà alla prova il loro legame per la salvezza dell'intera galassia.