Après avoir contré le précédent plan de Bowser pour épouser la princesse Peach, Mario et Luigi font désormais face à une nouvelle menace : Bowser Jr., déterminé à libérer son père de l'emprisonnement et à restaurer l'héritage familial. En compagnie de nouveaux et anciens compagnons, les frères traversent les étoiles pour arrêter la croisade du jeune héritier.