Mario regresa a las estrellas cuando el eterno villano Bowser ha secuestrado a la Princesa Peach una vez más, esta vez mientras horneaba un pastel. Depende de Mario una vez más luchar y derrotar a Bowser y Bowser Jnr, entre numerosos nuevos villanos y obstáculos, para salvar a la Princesa Peach.
El objetivo básico de cada nivel es recolectar la estrella dorada, ya sea alcanzando un objetivo final, recolectando una cantidad de estrellas más pequeñas o derrotando a un jefe de nivel final. El entorno es una mezcla de escenarios estándar de Mario llenos de personajes malvados familiares y planetoides en miniatura con su propia gravedad orbital. Ciertos niveles cambian la perspectiva de 3D a 2D, imitando los orígenes de la plataforma del personaje, mientras que otros van desde páramos de lava fundida, cavernas de hielo u océanos. A diferencia de Super Mario Galaxy, Galaxy 2 presenta un sistema de niveles más estandarizado, varias galaxias divididas en niveles planetarios más pequeños que solo se pueden alcanzar al completar un planeta, para abrir el camino al siguiente. Para llegar a un jefe de nivel final o abrir un planeta de bonificación, debe haber descubierto suficientes estrellas doradas para desbloquearlo. El mundo central del original ha sido reemplazado por una nave espacial, con la forma de la cabeza de Mario, que se puede usar para viajar entre galaxias, así como para descubrir 1-Ups ocultos.
Galaxy 2 presenta más mejoras en el juego, con dos nuevos trajes para Mario y el regreso de su fiel compañero Yoshi. El primer traje nuevo de Mario es el Cloud Suit, que le permite crear tres plataformas en la nube seguras pero temporales. La segunda suite nueva es el Rock Suit que, mientras lo usa, le permite a Mario convertirse en una bola de roca, que será necesaria para completar algunos desafíos o derrotar a ciertos enemigos. Yoshi agrega un elemento de velocidad, puede comerse a la mayoría de los enemigos a la vista y puede alcanzar áreas más altas que Mario no puede alcanzar solo. El dinosaurio verde también puede comer ciertas frutas para reforzar su conjunto de movimientos, pero solo por un breve momento, como un aumento de velocidad, la capacidad de flotar más alto en el aire o ver plataformas invisibles, especialmente útiles en una casa fantasma. .
Al igual que en el Super Mario Galaxy original, un segundo jugador puede unirse a la experiencia apuntando el Wii Remote en la pantalla para recolectar monedas o arrojar estrellas, sin embargo, esta vez también puede recolectar elementos que están fuera del alcance de Mario o Yoshi, y empujar. retroceder a los enemigos antes que el héroe.
Para ayudar a los que son demasiado jóvenes o son nuevos en la franquicia, un segundo DVD explica los entresijos del sistema de control. Además, si te quedas atascado en el camino, también puedes activar la Súper Guía, que le da el control de Mario a la IA para completar un nivel complicado por ti. Sin embargo, no ganas una estrella propiamente dicha como recompensa, solo una estrella de bronce. También hay varias 'Sugerencias de TV' alrededor de ciertos niveles para explicar o introducir un nuevo elemento en el juego.