Los distintos niveles que conforman al juego reciben el nombre de «galaxias».¹⁷ El elemento argumental que permite la exploración a través de los diversos niveles es el Planetarium del Cometa, una nave espacial que contiene seis domos temáticos, y que propicia el acceso a las 42 galaxias disponibles en el juego.¹⁸

Mario despierta en un pequeño planeta, donde conoce a una extraña mujer, llamadaRosetta (Rosalina en Hispanoamérica, y Estela en la versión española), quien junto a sus pequeñas estrellas llamadas «Destellos» («Lumas» en inglés) vigila el Universo, utilizando el Planetarium del Cometa, que es una nave que viaja a través del espacio; sin embargo, la fuente que otorga la potencia necesaria para realizar los viajes, es decir, las «Power Stars» («Cosmoestrellas» en Hispanoamérica, «Superestrellas» en España), han sido robadas por Bowser, dejándolos temporalmente inmóviles.

«Una vez cada 100 años un cometa sobrevuela el Reino Champiñón, dejando caer polvo de estrellas a su paso [...]»19

Dotado con la capacidad de viajar en el espacio, Mario se embarca en una aventura intergaláctica a través del vasto universo para recuperar el poder que otorgan las «Power Stars» y así restaurar la capacidad real que posee el Planetarium. En el camino, se encuentra frecuentemente con su hermano menor, Luigi, y un pequeño grupo de Toads conocido como «La Brigada Toad» («The Toad Brigade» en inglés), cuyos miembros lograron huir de Bowser cuando éste raptó el castillo, siéndoles de gran ayuda a Mario y a Luigi en el transcurso del juego para buscar las «Power Stars», una vez que van siendo rescatados.²⁰ Conforme se van colectando las «Power Stars», el Planetarium empieza a recobrar su energía, hasta llegar a un nivel suficiente como para poder transformarse en un cometa, y viajar hasta el Centro del Universo, donde se encuentran Bowser y sus secuaces, con la princesa cautiva. Cuando Mario se enfrenta a Bowser, éste revela que su plan consiste en gobernar al Universo, al lado de la princesa, como su reina. Para ello, construiría un nuevo sol, por medio del poder otorgado por otra clase de estrellas, las «Grand Stars» («Maxiestrellas»).

Mario logra ingeniar una manera para derrotar a Bowser y liberar a Peach, sin embargo, en el acto, el sol que Bowser creó colapsa sobre sí mismo, convirtiéndose en un agujero negro supermasivo, el cual comienza a engullir dentro de él tanto a las galaxias cercanas, como al Planetarium, el castillo de Peach y las naves de Bowser. Rosetta y todos sus «Destellos» se unen para salvar el Universo, saltando de esta forma dentro del agujero negro para destruirlo, aunque acaban sacrificándose ellos mismos en el proceso. Las galaxias succionadas por el agujero negro colapsan dentro de él, en una singularidad que termina explotando en una Supernova. Instantes después, Rosetta se le aparece a Mario, en forma de giganta, afirmándole que las estrellas nunca mueren, sino que renacen más tarde en otras estrellas nuevas. De pronto, Mario despierta en un Reino Champiñón restaurado, al lado de unos inconscientes Peach y Bowser, encontrándose rodeado de una celebración realizada en honor del surgimiento de la Nueva Galaxia que ha emergido de entre los cielos.³