Miután Mario és Luigi sikeresen meghiúsították Bowser korábbi gonosz terveit a Csiperke Királyságban, egy teljesen új, kozmikus fenyegetéssel találják szembe magukat. A miniatűr formában fogva tartott Bowser kiszabadítására törekvő Bowser Jr. és Kamek elrabolják a világűr védelmezőjét, Rosalina hercegnőt, hogy kozmikus erejét felhasználva egy galaktikus birodalmat építsenek ki. Emiatt Mario, Luigi, Peach hercegnő és Toad kénytelenek elhagyni a Csiperke Királyságot, és Yoshi, valamint a csillagszerű Luma lények segítségével a világűrbe utazni, ahol bolygóról bolygóra vándorolva, gravitációs anomáliákkal és kozmikus veszélyekkel dacolva próbálják megállítani a gonosztevőket és megmenteni az univerzumot.
