Po jakimś czasie budzi się na małej planecie i spotyka , tajemniczą księżniczkę, która opowiada mu o funkcjonowaniu obserwatorium i ukradzionych przez Bowsera Power Stars, służących do zasilania skomplikowanego mechanizmu.
Rozgrywka Akcja gry toczy się w przestrzeni kosmicznej gdzie hydraulik Mario podróżując z galaktyki do galaktyki ma za zadanie uratować Księżniczkę Peachę i zebrać wszystkie Power Stars, które zdobywa wykonując misje lub pokonując wrogów. Miejscem, z którego Mario wyrusza na podbój galaktyk jest obserwatorium, na którym znajduje się sześć tematycznych kopuł, prowadzących do 42 galaktyk. Na początku gry dostępna jest tylko jedna galaktyka, ich ilość rośnie w miarę zdobywania przez gracza kolejnych Power Stars. Niektóre galaktyki występują pod postacią gwiazdopodobnych stworków zwanych Hungry Luma, jedyną możliwością dostania się do ich wnętrza jest nakarmienie go odpowiednią ilością Star Bits, czyli gwiezdnego pyłu, który można zebrać celując wskaźnikiem podczas gry. W grze do zebrania jest w sumie 121 Power Stars. Mario porusza się po różnej wielkości oraz kształcie planetach. Planety te posiadają własną grawitację, co ma znaczny wpływ na przebieg rozgrywki. Istnieje także pięć rodzajów Prankster Comets pojawiających się okresowo, które zmieniają nieco daną galaktykę oraz usuwają punkty kontrolne.