Mario et Luigi, deux plombiers italo-américains de Brooklyn, sont propulsés par un mystérieux tuyau dans un monde parallèle où ils se retrouvent séparés l'un de l'autre. Mario atterrit dans le paisible Royaume Champignon, gouverné par la princesse Peach, tandis que Luigi tombe aux mains du redoutable Bowser et de son armée de Koopas. Pour retrouver son frère et sauver ce nouveau monde d'une invasion imminente, Mario s'allie à Peach, au brave Toad et au gorille Donkey Kong. Ensemble, ils devront réunir leurs forces pour affronter Bowser avant qu'il ne mette la main sur une arme capable de tout détruire.
Après l'échec critique et commercial du film Super Mario Bros. de 1993, Nintendo se montre longtemps réticent à céder à nouveau les droits cinématographiques de ses licences. Le projet renaît grâce à un partenariat entre Nintendo et le studio d'animation Illumination, les créateurs de la série Teen Titans Go!, Aaron Horvath et Michael Jelenic, étant choisis pour co-réaliser le film. Le scénariste Matthew Fogel, auparavant auteur de Minions 2 pour le même studio, rejoint le projet pour écrire l'histoire. Les deux réalisateurs affirment avoir volontairement pris le contre-pied de l'humour irrévérencieux de Teen Titans Go!, cherchant au contraire une adaptation fidèle et plus cinématographique de l'univers des jeux vidéo. Nintendo s'implique directement dans toutes les étapes de la production, de l'écriture du scénario jusqu'au développement visuel et à l'animation elle-même. Les deux cinéastes conçoivent le film comme une véritable origin story pour Mario et Luigi, en insistant sur leurs racines de plombiers italo-américains modestes originaires de Brooklyn.
Le film reçoit un accueil critique mitigé, la presse saluant la vivacité de l'animation et les nombreuses références aux jeux vidéo tout en regrettant un scénario jugé mince et une écriture des personnages peu approfondie. La performance vocale de Jack Black dans le rôle de Bowser est en revanche largement plébiscitée par la critique comme l'un des points forts du film. Le public réserve en revanche un accueil triomphal au film, porté par la nostalgie des joueurs de plusieurs générations, ce qui se traduit par des records d'entrées dès sa sortie en salles. Le film devient le film d'animation ayant réalisé le plus gros démarrage mondial de l'histoire et le premier film adapté d'un jeu vidéo à dépasser le milliard de dollars de recettes, tout en récoltant plusieurs nominations aux Golden Globes dans la catégorie meilleur film d'animation.
Charles Martinet, voix historique de Mario et Luigi dans les jeux vidéo depuis 1994, prête sa voix dans le film au père des deux frères ainsi qu'à un personnage secondaire nommé Giuseppe qui reprend fidèlement son timbre de voix iconique. La fille du co-réalisateur Michael Jelenic, Juliet Jelenic, prête sa voix au personnage de Lumalee, une petite Luma nihiliste retenue prisonnière par Bowser. Les réalisateurs ont dû composer avec l'attente considérable des fans de la licence, en multipliant les clins d'œil directs aux différents jeux de la franchise afin de satisfaire un public de connaisseurs exigeants.
Le film met en avant les liens fraternels et la loyauté familiale à travers la relation entre Mario et Luigi, ce dernier étant le moteur principal de la quête du héros. Il aborde également le thème classique du dépassement de soi, Mario devant apprendre à croire en ses propres capacités malgré des débuts professionnels marqués par l'échec et le scepticisme de son entourage.
Mario et ses alliés parviennent à vaincre Bowser et à empêcher son mariage forcé avec la princesse Peach, restaurant la paix dans le Royaume Champignon tout en réunissant enfin les deux frères plombiers. Le film se clôt sur le retour de Mario et Luigi à Brooklyn, où leur nouvelle confiance en eux leur permet de faire prospérer leur entreprise de plomberie, tout en laissant la porte ouverte à de nouvelles aventures dans le Royaume Champignon.
Le titre reprend simplement le nom de la franchise de jeux vidéo Nintendo dont le film est l'adaptation, désignant les deux frères plombiers Mario et Luigi au cœur de l'intrigue. Il s'inscrit dans la continuité directe du nom historique de la série de jeux vidéo créée dans les années 1980.
Le succès du film a débouché sur une suite, The Super Mario Galaxy Movie, sortie en avril 2026, qui prolonge les aventures de Mario et Luigi dans une nouvelle aventure spatiale inspirée des jeux Super Mario Galaxy.
Sonic le film de Jeff Fowler, Les Minions d'Illumination, Wreck-It Ralph de Disney, Detective Pikachu de Rob Letterman.