Spillets handling utspiller seg i verdensrommet, og «navlen» i spillet er Rosalinas kometobservatorium. Herfra kan Mario ved hjelp av stedets stjernekanoner skyte seg mot forskjellige galakser rundt om i universet, disse fungerer som spillets baner. Observatoriet er delt opp i kupler («domes») som brukes til å observere bestemte galakser og planeter. Fra kuplene kan Mario skyte seg ut mot de galaksene som den dekker. Hver av disse banene inneholder et visst antall kraftstjerner som erverves ved å utføre forskjellige oppgaver, som kappløp, kamp mot ekstra sterke fiender («bosser») og å løse gåter. Etter hvert som Mario finner flere kraftstjerner kan han skyte seg mot mer ytterliggende galakser som dekkes av kuppelen. Den ytterste galaksen i hver kuppel er en fiendebase hvor enten Bowser eller Bowser Jr. har bygget en reaktor som drives av en Megastjerne («Grand Star»), en større og kraftigere kraftstjerne. Her må Mario nedkjempe en boss, og når dette er gjort, får han megastjernen, som gir Rosalinas observatorium nok kraft til å låse opp en ny kuppel med adgang til nye galakser.