Mario & Sonic at the London 2012 Olympic Games - это коллекция многочисленных событий, основанных на современных Олимпийских играх. В игре участвуют два титульных персонажа и еще 18 персонажей из обеих франшиз, чтобы принять участие в условиях, основанных на официальных местах проведения летних Олимпийских игр 2012 года в Лондоне. Каждый персонаж обладает уникальными атрибутами, которые могут служить преимуществом или недостатком в зависимости от события. Как и в предшествующей игре, все персонажи разделены на четыре категории: многоборье, скорость, сила и мастерство.
В версии для Wii представлено в общей сложности 30 олимпийских соревнований, включая футбол, бадминтон, верховую езду, греблю на каноэ и волейбол. Также представлены переосмысленные версии ранее существовавших видов спорта, таких как легкая атлетика, водные виды спорта и настольный теннис. В игре представлены новые кооперативные механики, включая "События мечты" - альтернативные версии олимпийских соревнований, которые проходят в местах из предыдущих игр серии Mario и Sonic, а также режим испытаний, который позволяет игрокам повторять прохождение заданий в различных соревнованиях. Режим "Лондонская вечеринка" проходит на настольной игре, напоминающей Лондон, где четыре игрока могут соревноваться в различных спортивных состязаниях и мини-играх. Конечная цель - собрать достаточное количество наклеек, чтобы заполнить "книгу туриста" - побеждает игрок, который первым заполнит книгу. По завершении любого соревнования игроки зарабатывают скретч-карты, которые можно обменять в "бонусном режиме" игры на такие награды, как костюмы Mii и дополнительную музыку.