Super Mario Galaxy to przygodowa gra platformowa, której akcja rozgrywa się w kosmosie.

Prowadzący rozgrywkę steruje postacią tytułowego bohatera, Mario i przemierza wraz z nim przestrzeń kosmiczną. Celem gry jest pokonanie kolejnych etapów podróży, na drogach której bohater natknie się na licznych wrogów jak również będzie zbierał monety, skakał i biegał. Zakończenie niektórych etapów wymaga rozwiązania zagadki logicznej. Natomiast podróż pomiędzy poszczególnymi planetami odbywa się przy użyciu specjalnych gwiezdnych trampolin. Kolejne zwiedzane przez gracza ciała niebieskie, różnią się między sobą wielkością, klimatem oraz systemem grawitacji.

Sterowanie odbywa się przy użyciu kontrolera Wii. Część z analogową gałką służy do sterowania postacią, natomiast pilot wykrywający ruch w przestrzeni ma kilka zastosowań. Potrząśnięcie pilotem sprawia, że postać ma możliwość kręcenia się wokół własnej osi, ruch ten jest przydatny w eliminacji wrogów. Poza tym, podczas kosmicznej podróży, bohaterowi rozgrywki towarzyszy gwiazdka, za której ruchy odpowiada kontroler, uaktywniając jednocześnie widoczne na ekranie elementy, do których Mario nie ma bezpośredniego dostępu. Ponadto, na niektórych etapach rozgrywki, pojawiają się specjalne pola siłowe pozwalające na lewitowanie ponad powierzchnią planety. W takiej sytuacji sterowanie odbywa się w całości przy użyciu pilota.

Jak w poprzednich wydaniach gier, w których głównym bohaterem jest Mario, tak i w tej odsłonie przygód pomysłowego hydraulika, każdy etap zakończony jest starciem z bossem. Na każdego z bohaterów trzeba znaleźć sposób i metodę dzięki której zostanie pokonany. Nagrodą za wygraną walkę są niezbędne do ukończenia gry gwiazdki.

Grafika programu jest bajkowa, kolorowa, częściowo nawiązuje do filmów science fiction.