Handlingen i spillet går ut på at noen romvesener kalt Shroobs overtar Mushroom Kingdom i fortiden mens Prinsesse Peach er på tidsmaskinferie der. I fortiden begynner tidshull å dukke opp rundt om i slottet, og det er opp til Mario, Luigi og deres babyversjoner å redde prinsessen fra den fæle Prinsesse Shroob og hennes undersåtter.