Марио возвращается к звездам, когда вечный злодей Баузер снова похитил принцессу Пич, на этот раз, когда она пекла торт. Марио снова предстоит сразиться и победить Баузера и Баузера-младшего среди множества новых злодеев и препятствий, чтобы спасти принцессу Пич.
Основная цель каждого уровня - собрать золотую звезду, либо достигнув конечной цели, либо собрав несколько мелких звездочек, либо победив босса конечного уровня. Окружение представляет собой смесь стандартных этапов Марио, наполненных знакомыми злыми персонажами и миниатюрными планетоидами с собственной орбитальной гравитацией. Некоторые уровни переключают перспективу с 3D на 2D, имитируя происхождение персонажа на платформе, в то время как другие варьируются от пустошей с расплавленной лавой, ледяных пещер или океанов. В отличие от Super Mario Galaxy, Galaxy 2 имеет более стандартизированную систему уровней, ряд галактик разделен на более мелкие планетарные уровни, до которых можно добраться, только завершив одну планету, чтобы открыть путь к следующей. Чтобы добраться до босса конечного уровня или открыть бонусную планету, вам нужно найти достаточно золотых звезд, чтобы разблокировать ее. Центральный мир оригинала был заменен космическим кораблем в форме головы Марио, который можно использовать для путешествий между галактиками, а также для обнаружения скрытых 1-Ups.
Galaxy 2 предлагает дальнейшие улучшения игрового процесса, с двумя новыми костюмами для Марио и возвращением его верного спутника Йоши. Первый новый костюм Марио — Облачный костюм, который позволяет ему создавать три безопасные, но временные облачные платформы. Второй новый набор — каменный костюм, который позволяет Марио свернуться в каменный шар, что необходимо для выполнения некоторых задач или победы над определенными противниками. Йоши добавляет элемент скорости, может съесть большинство врагов в поле зрения и может достигать более высоких областей, до которых Марио не может добраться в одиночку. Зеленый динозавр также может есть определенные фрукты, чтобы усилить свой набор движений, но только на короткий момент времени, например, для увеличения скорости, способности парить выше в воздухе или видеть невидимые платформы, что особенно удобно в доме-призраке.
Как и в оригинальной Super Mario Galaxy, второй игрок может присоединиться к игре, направляя пульт Wii на экран, чтобы собирать монеты или бросать звездочки, однако на этот раз они также могут собирать предметы, недоступные для Марио или Йоши, и отталкивайте врагов впереди героя.