Super Mario Bros. Wonder é um jogo de plataforma de rolagem lateral e a primeira entrada 2D de Super Mario desde New Super Mario Bros. U (2012). Os jogadores escolhem entre doze personagens e atravessam níveis pelo Reino das Flores, um novo cenário para a série. A mecânica central do jogo é a Wonder Flower, que altera drasticamente os níveis de maneiras imprevisíveis quando tocada. Novos power-ups incluem uma transformação de elefante, uma flor de bolha e um chapéu de broca, enquanto um sistema de crachá equipável permite que os jogadores personalizem suas habilidades. O jogo suporta multiplayer local para até quatro jogadores ativos e inclui um modo online assíncrono.

Mario e seus amigos são convidados para o Reino das Flores por seu governante, o Príncipe Florian, para testemunhar o poder de uma Flor Maravilhosa. Bowser invade a cerimônia, rouba a Flor Maravilha e usa sua magia de distorção da realidade para se fundir com o castelo do reino, transformando-se em uma fortaleza voadora senciente. Ele aprisiona os cidadãos do reino, os Popeline, e começa a conspirar para escravizar todo o universo. Mario e o grupo partiram ao lado do Príncipe Florian para reunir seis Sementes Reais espalhadas pelas regiões do reino, cada uma removendo uma camada das defesas de Bowser e aproximando-as de um confronto final.