Spillet starter med en prolog som fortelles gjennom en billedbok. Her blir spilleren presentert for handlingsbakgrunnen for spillet. Selve handlingen begynner med at Mario får et brev fra Prinsesse Peach, hvor hun inviterer ham til stjernestøvfestivalen som skal feire ankomsten til kometen som viser seg over Mushroom Kingdom hvert hundrede år. Festivalen ødelegges brått av et knippe flygende skip anført av Bowser som daler ned fra himmelen og skyter mot festivaldeltakerne. Idet Mario når slottet for å se om prinsessen er i sikkerhet, dukker det opp et enormt romfartøy som rykker landstykket slottet står på løs fra bakken. Prinsessen, slottet, et par av prinsessen tjenere og Mario blir dratt ut i verdensrommet idet spillets skurk Bowser dukker opp på et av skipene og beretter at han vil lage en ny galakse. Før Mario kan gjøre noe, blir han angrepet av en heks og blåst ut i verdensrommet. Når han kommer til seg selv igjen, befinner han seg på en liten planet ute i verdensrommet. Her treffer han på noen merkelige stjernevesener, som presenterer ham for kvinnen Rosalina. Hun bor sammen med stjernevesene på et observatorium i verdensrommet som drives av kraftstjerner («Power Stars»). Disse har blitt røvet av Bowser og hans sønn Bowser Jr., og Rosalina ber Mario om hjelp til å hente dem tilbake slik at hun kan bruke kraften i det svevende observatoriet til å hjelpe ham i å finne Prinsesse Peach. Spillets handling videre dreier seg om å gå gjennom en rekke galakser og samle de velkjente «Power Stars» for å til slutt få has på Bowser og redde prinsessen.