Mario
Penampilan dan evolusi > Seri Super Mario > Permainan 3D

Kebanyakan permainan Super Mario dalam 3D menampilkan alur permainan dunia terbuka; alih-alih dibatasi hanya untuk bergerak ke kiri dan ke kanan, Mario dapat bergerak ke segala arah dan pemain dapat menyelesaikan level sesuka mereka. Pemain memilih salah satu dari beberapa tujuan sebelum memasuki level, dan Mario ditugaskan untuk menyelesaikan tujuan tersebut yang pada akhirnya diakhiri dengan item yang dapat diperoleh seperti bintang. Permainan-permainan ini menampilkan narasi yang lebih kompleks, tetapi sebagian besar masih menampilkan Mario yang menyelamatkan Putri Peach yang diculik dari Bowser. Di awal sebagian besar permainan, Mario berteman dengan sekutu yang membantu Mario dalam perjalanannya dan memberinya kemampuan unik untuk mencapai tujuannya.
Peran 3D debut Mario adalah Super Mario 64; karena konsep permainan video 3D masih baru pada saat itu, para pengembang tahu bahwa mereka membantu membuka jalan bagi permainan masa depan, dan mereka tidak dibatasi pada seperti apa permainan standarnya. Namun, ketika Yoshiaki Koizumi harus membuat model 3D dan animasi Mario, dia tidak memiliki kerangka acuan dan kesulitan dengan tugas tersebut. Koizumi menyatakan bagaimana keseluruhan konsepnya "bisa dibilang sulit", namun digantikan oleh kenikmatan berinovasi di bidang baru. Pergerakan Mario adalah salah satu prioritas utama dalam pengembangan permainan, dengan animasinya diuji jauh sebelum tata letak dasar lokasi permainan diterapkan. Super Mario 64 adalah salah satu permainan pertama yang disuarakan oleh Charles Martinet, dan model karakter Mario dibuat dengan toolkit N-World.
Super Mario Sunshine merupakan permainan Nintendo pertama setelah Satoru Iwata menjadi CEO Nintendo menggantikan Hiroshi Yamauchi. Konsep asli permainan ini tidak menampilkan Mario, karena pengembangnya yakin peran tersebut terlalu luar biasa untuk karakter seperti itu. Kemudian, ketika mereka menggunakan orang biasa untuk peran tersebut, mereka percaya memiliki orang yang realistis bersama karakter seperti Mario akan menyebabkan "keganjilan", dan akhirnya diubah menjadi Mario. Sekutu Mario, F.L.U.D.D., adalah salah satu dari sepuluh pilihan desain tetapi dipilih karena sesuai dengan tema permainan, meskipun itu bukan pilihan favorit mereka dalam hal tampilan.
Super Mario Galaxy membuat Mario menjelajahi sejumlah planet berbentuk bola, yang mana para pengembang pada saat itu tahu bahwa hanya melompati musuh akan sulit dilakukan. Mereka malah memanfaatkan Wii Remote dan Nunchuk yang memiliki kontrol gerak, dan memberi Mario serangan "berputar" di mana dia menjatuhkan musuh melalui putaran. Untuk juga menyeimbangkan kesulitan permainan, Mario diberikan lebih sedikit hitpoint. Dengan banyaknya kebebasan berkreasi yang diberikan oleh latar bertema luar angkasa, banyak peningkatan dan transformasi yang diterapkan berdasarkan saran pekerja.
Untuk menciptakan rasa keakraban dengan Super Mario Odyssey, berbagai referensi seri Super Mario dimasukkan ke dalam lingkungan permainan. Misalnya, Pauline dipilih menjadi aspek utama dari "Kerajaan Metro" karena kerajaan tersebut mewakili inti permainan. Mario juga diberikan berbagai kostum untuk mewakili permainan kecil lainnya, seperti seri Mario's Picross. Tim pengembangan menemukan cara paling menyenangkan untuk menggunakan kontrol gerak pengontrol Joy-Con adalah dengan melempar topi, dan alur permainannya berpusat di sekitar Mario yang melempar topinya.
64, Sunshine, dan Galaxy dirilis ulang di Nintendo Switch pada tahun 2020 sebagai bagian dari peringatan 35 tahun Super Mario Bros. dalam paket koleksi bertajuk Super Mario 3D All-Stars. Permainan-permainan tersebut menampilkan grafis definisi tinggi tetapi secara umum tetap sama dengan game aslinya. Versi Super Mario 64 yang digunakan untuk permainan ini adalah versi Shindō yang awalnya hanya dirilis di Jepang pada bulan Juli 1997, yang menambahkan perbaikan bug dan membuat sedikit perubahan alur permainan.