Mario & Sonic на London 2012 Olympic Games - це колекція численних подій, заснованих на сучасних Олімпійських іграх. У грі беруть участь два титульні персонажі та ще 18 персонажів з обох франшиз, щоб взяти участь в умовах, заснованих на офіційних місцях проведення літніх Олімпійських ігор 2012 року в Лондоні. Кожен персонаж має унікальні атрибути, які можуть бути перевагою або недоліком в залежності від події. Як і в попередній грі, всі персонажі розділені на чотири категорії: багатоборство, швидкість, сила та майстерність.
У версії для Wii представлено загалом 30 олімпійських змагань, включаючи футбол, бадмінтон, верхову їзду, веслування на каное та волейбол. Також представлені переосмислені версії видів спорту, що раніше існували, таких як легка атлетика, водні види спорту і настільний теніс. У грі представлені нові кооперативні механіки, включаючи "Події мрії" - альтернативні версії олімпійських змагань, що відбуваються у місцях з попередніх ігор серії Mario та Sonic, а також режим випробувань, що дозволяє гравцям повторювати проходження завдань у різних змаганнях. Режим "Лондонська вечірка" проходить на настільній грі, що нагадує Лондон, де чотири гравці можуть змагатися у різних спортивних змаганнях та міні-іграх. Кінцева мета – зібрати достатню кількість наклейок, щоб заповнити "книгу туриста" – перемагає гравець, який першим заповнить книгу. Після завершення будь-якого змагання гравці заробляють скретч-картки, які можна обміняти в "бонусному режимі" гри на такі нагороди, як костюми Mii та додаткову музику.