¡La Princesa Peach ha sido secuestrada! ¡De nuevo! Todo el mundo estaba celebrando el cumpleaños de la Princesa cuando llegó un pastel de cumpleaños gigante... ¡pero luego Bowser Jr. y los siete Koopalings aparecieron y la secuestraron! Mario, Luigi y dos Toads la persiguen para rescatarla una vez más. ¿Tendrán éxito?
New Super Mario Bros. Wii es una continuación de los juegos de Super Mario Bros. Al igual que en el original, los jugadores saltan, corren y toman poderes como Super Mushroom y Fire Flower, que les permite lanzar bolas de fuego a sus enemigos. También se han agregado nuevos potenciadores: el sombrero de hélice permite a los jugadores hacer zoom verticalmente en el aire y luego deslizarse hacia abajo, la flor de hielo permite a los jugadores congelar a los enemigos en bloques de hielo y el traje de pingüino les da tracción en el hielo además de permitir que se deslicen por el vientre. Yoshi, de Super Mario World, también regresa: los jugadores pueden montarlo y comerá enemigos y bayas en los niveles.
La función de inclinación del Wii Remote se usa para activar ciertas partes de los niveles; por ejemplo, saltar a plataformas específicas e inclinar el Wii Remote también inclinará la plataforma. En otro nivel, los jugadores apuntan una luz a un bote usando el Wii Remote para no perderse en la oscuridad. Agitar el control remoto de Wii mientras se usa el Propeller Hat hace que el jugador vuele hacia arriba, mientras que al agitarlo cerca de los objetos, los levanta o los arroja.
El juego tiene una función especial conocida como "Superguía": cuando un jugador muere ocho veces en total en un nivel, aparece un bloque especial al comienzo de la etapa la próxima vez que juega. Si el jugador golpea este bloque, Luigi se hará cargo y jugará a través del nivel, mostrándole cómo completarlo. Esto permite a los jugadores progresar en el juego incluso si tienen problemas en un nivel particularmente difícil.
Hasta cuatro jugadores pueden jugar simultáneamente. Cuando juegan juntos, siempre que una persona esté en la pantalla en un nivel, los jugadores pueden seguir regresando al juego después de morir flotando en una burbuja que luego estalla. Si todos los jugadores pierden la vida, vuelven a la pantalla del mapa. Otro modo, Coin Battle, tiene a todos los jugadores uno contra el otro, con el objetivo de recoger la mayor cantidad de monedas mientras se dirige hacia la meta.