Маріо повертається до зірок, коли вічний лиходій Баузер знову викрав принцесу Піч, цього разу, коли вона пекла торт. Маріо знову доведеться битися і перемогти Баузера і Баузера-молодшого серед багатьох нових лиходіїв і перешкод, щоб врятувати принцесу Піч.
Основна мета кожного рівня - зібрати золоту зірку, або досягнувши кінцевої мети, або зібравши кілька дрібних зірочок, або перемігши боса кінцевого рівня. Оточення є сумішшю стандартних етапів Маріо, наповнених знайомими злими персонажами і мініатюрними планетоїдами з власною орбітальною гравітацією. Деякі рівні переключають перспективу з 3D на 2D, імітуючи походження персонажа на платформі, тоді як інші варіюються від пусток з розплавленою лавою, крижаними печерами або океанами. На відміну від Super Mario Galaxy, Galaxy 2 має більш стандартизовану систему рівнів, ряд галактик поділено на дрібніші планетарні рівні, до яких можна дістатися, тільки завершивши одну планету, щоб відкрити шлях до наступної. Щоб дістатися до боса кінцевого рівня або відкрити бонусну планету, потрібно знайти достатньо золотих зірок, щоб розблокувати її. Центральний світ оригіналу було замінено космічним кораблем у формі голови Маріо, який можна використовувати для подорожей між галактиками, а також для виявлення прихованих 1-Ups.
Galaxy 2 пропонує подальші покращення ігрового процесу, з двома новими костюмами для Маріо та поверненням його вірного супутника Йоші. Перший новий костюм Маріо - Хмарний костюм, який дозволяє йому створювати три безпечні, але тимчасові хмарні платформи. Другий новий набір - кам'яний костюм, який дозволяє Маріо звернутися в кам'яну кулю, що необхідно для виконання деяких завдань або перемоги над певними супротивниками. Йоші додає елемент швидкості, може з'їсти більшість ворогів у полі зору і може досягати більш високих областей, до яких Маріо не може дістатися поодинці. Зелений динозавр також може їсти певні фрукти, щоб посилити свій набір рухів, але тільки на короткий момент часу, наприклад, для збільшення швидкості, здатності ширяти вище в повітрі або бачити невидимі платформи, що особливо зручно в будинку-примарі.
Як і в оригінальній Super Mario Galaxy, другий гравець може приєднатися до гри, спрямовуючи пульт Wii на екран, щоб збирати монети або кидати зірочки, проте цього разу вони також можуть збирати предмети, недоступні для Маріо або Йоші, та відштовхуйте ворогів попереду героя.