Süper Mario Galaxy filmi, Bowser'ın Prenses Peach'i kaçırıp şatosuyla birlikte uzaya fırlatmasıyla başlar. Amacı, evrendeki tüm "Büyük Yıldızları" çalarak devasa bir galaksi imparatorluğu kurmaktır. Mario, Peach'i kurtarmak için peşlerinden atılır ve kendini gizemli bir Uzay Gözlemevi'nde bulur. Burada, evrenin bilge koruyucusu Rosalina ve parlayan dostları Luma'larla tanışır. Mario'nun görevi, farklı galaksileri dolaşarak çalınan yıldızları geri toplamak ve Bowser'ın planlarını bozmaktır. Bu uzay yolculuğunda onu yerçekimi kurallarının altüst olduğu, benzersiz ve baş döndürücü maceralar beklemektedir.