A peine installés au Royaume Champignon, Mario et Luigi reprennent du service après avoir reçu un appel à l'aide. La princesse Harmonie, la gardienne de l'univers, a en effet été kidnappée par le fils de Bowser, encore plus féroce que son père et désormais équipé d'un redoutable canon destructeur de planètes. Accompagnés de la princesse Peach, du dinosaure vert Yoshi et du champignon Toad, Mario et Luigi se lancent dans un périple intergalactique pour sauver Harmonie. Dans ces mondes aux confins de l'univers se forgeront des alliances pour le moins inattendues...