Chociaż New Super Mario Bros. Wii jest grą platformową 2D, niektóre postacie i obiekty są trójwymiarowymi wielokątami na dwuwymiarowych tłach, co daje efekt 2,5D (widoczny również w New Super Mario Bros. ), który wizualnie symuluje trójwymiarową grafikę komputerową. Gracze mogą grać jako Mario, jego brat Luigi, lub dwie postacie Toad: jedna niebieska i jedna żółta (z pierwszym graczem zawsze jako Mario). Sterowanie jest podobne do tego z New Super Mario Bros. , z dodanymi możliwościami obracania się w powietrzu poprzez potrząsanie Wii Remote; oraz podnoszenia, przenoszenia i rzucania innych graczy. W trybie multiplayer, gracze mogą grać do czterech graczy jednocześnie. Jeśli postać gracza straci życie i ma co najmniej jedno życie w rezerwie, pojawi się ponownie zamknięta w bańce i może wznowić grę, gdy inny gracz uwolni ją dotykając bańki lub kuli ognia/lodu (gracz może potrząsnąć Wii Remote, aby przesunąć swoją bańkę bliżej aktywnego gracza, ale nie może się uwolnić). Jeśli gracz straci życie i nie ma już więcej żyć, należy użyć Kontynuacji, aby zacząć od nowa z pięcioma życiami. Gracze mogą również zamknąć się wewnątrz bańki, naciskając przycisk A, podczas gdy bardziej wykwalifikowany gracz przemierza trudny segment. Jeśli każda postać w kooperacji wejdzie do bąbelków w tym samym czasie (czy to przez śmierć, czy naciśnięcie przycisku A), poziom zostanie przegrany i trzeba będzie zacząć od nowa.
W trybie multiplayer, jeśli jeden lub więcej graczy nie nadąża za prowadzącym, na niektórych poziomach, widok będzie się nieco przesuwał, tak że gracz(e) z tyłu będzie nadal widoczny. Jeśli gracze nadal nie nadążają, są wleczeni za krawędź ekranu, dopóki nie ruszą szybciej do przodu lub nie stracą życia przez upadek lub inny obiekt. Jeśli jeden gracz wejdzie do rury, wspina się po pnączach, złapie maszt na końcu etapu, itd. bez pozostałych, pozostali gracze po krótkim czasie znajdą się w tym samym miejscu, lub będą mieli ograniczoną ilość czasu na złapanie masztu przed końcem trasy. Na pionowo przewijających się trasach, pozostawanie pod ekranem powoduje utratę życia. Na mapie świata, Mario (gracz 1) kontroluje nawigację.
Gracze wracają do ekranu mapy, jeśli wszystkim graczom skończą się życia, lub jeśli wszyscy gracze stracą życie w tym samym czasie, nie pozostawiając nikogo, kto mógłby ich uwolnić. Na większości poziomów znajduje się flaga środkowa, której dotknięcie spowoduje powrót gracza do tego punktu po śmierci i odesłaniu do ekranu mapy. Etap kończy się, gdy przynajmniej jeden gracz dotknie celu na końcu, choć bonus jest przyznawany, jeśli wszyscy gracze zdołają chwycić flagę w ciągu trzech sekund od momentu, gdy pierwszy gracz ją chwyci. W kilku poziomach, oprócz normalnego celu i masztu z flagą, jest alternatywne wyjście prowadzące do czerwonego masztu z flagą. Osiągnięcie tego celu otworzy nową ścieżkę na mapie, prowadzącą do nowych etapów na mapie Overworld, a czasami do działa warp (które wysadzi gracza do innego świata). Gra nie posiada trybu multiplayer online. W trybie dla jednego gracza, utrata życia odsyła gracza do ekranu mapy.
Wraz z typowymi przedmiotami z serii Mario, jak również Mini Mushroom z New Super Mario Bros. , dodano nowe przedmioty, w tym: Śmigło Mushroom, który pozwala graczom latać; Lodowy Kwiat, który pozwala graczom zamrozić wrogów z kulami śnieżnymi; i kombinezon pingwina, który, na górze zdolności Lodowego Kwiatu, pozwala graczom ślizgać się po ziemi i po wodzie, jak również mieć lepszą kontrolę na lodzie i w wodzie. Gracze są również w stanie jeździć na Yoshis, które pojawiają się w niektórych poziomach i mogą połykać wrogów i latać w powietrzu. Do wszystkich poziomów można dostać się poprzez ekran z mapą, po której często wędrują wrogowie. Jeśli gracz wpadnie na jednego z nich podczas podróży po mapie, rozpocznie się walka z "mini-bossem"; jeśli walka się powiedzie, gracze mogą zdobyć trzy dodatkowe Super Grzyby. Istnieją również Domy Ropuch, gdzie gracze mogą zdobyć dodatkowe życie i przedmioty, które można wyposażyć na ekranie mapy. W niektórych momentach pojawi się Ropuch uwięziony w jednym z wcześniej ukończonych poziomów, a gracz może zdecydować się uratować go z bloku i przenieść bezpiecznie do końca etapu, aby zarobić dodatkowe życia (można to zrobić tylko z jednym graczem). W każdym kursie ukryte są trzy Gwiezdne Monety, które można wydać na filmy z podpowiedziami, które pokazują pewne sekrety, takie jak lokalizacja tajnego celu lub sposób na zdobycie nieskończonych 1-upów. Zebranie wszystkich Gwiezdnych Monet w danym świecie odblokowuje jeden kurs z sekretnego Świata 9, w który można zagrać dopiero po ukończeniu gry głównej.
Tryby gry
Gra zawiera możliwość jednoczesnej gry w trybie multiplayer dla maksymalnie czterech graczy. Oprócz głównego trybu fabularnego, w który można grać zarówno w trybie jedno- jak i wieloosobowym, istnieją dwa dedykowane tryby wieloosobowe. W trybie "Free-for-All Mode" gracze są oceniani na koniec każdego kursu na podstawie wyniku, monet i zabitych wrogów; podczas gdy drugi tryb, "Coin Battle", ocenia graczy na podstawie ilości zebranych monet.
Systemy kontroli
Gra jest rozgrywana w klasycznym stylu, z Wii Remote trzymanym poziomo, lub w stylu Nunchuk. Nunchuk jest używany do poruszania się. Niektóre akcje, takie jak skoki i ataki, są wykonywane za pomocą przycisków, podczas gdy inne, takie jak obracanie się w powietrzu i podnoszenie innych graczy, są wykonywane przez potrząsanie Wii Remote. Niektóre obszary poziomów, takie jak konkretne platformy, mogą być również manipulowane poprzez przechylanie Wii Remote.
Super Przewodnik
Gra jest pierwszą na Wii, w której zastosowano "Super Guide", nowy system opracowany przez twórcę Mario, Shigeru Miyamoto. W trybie dla pojedynczego gracza, jeśli gracz zginie osiem razy z rzędu na dowolnym poziomie, pojawia się zielony "!" Block, pozwalając sterowanemu przez komputer Luigiemu pokazać graczowi bezpieczną drogę przez poziom. Gracz może w każdej chwili przerwać przewodnika i przejąć nad nim kontrolę. Po tym jak Luigi ukończy poziom, gracz może spróbować go ponownie, lub pominąć go całkowicie. Luigi nie ujawni jednak żadnych miejsc, w których znajdują się Gwiezdne Monety lub tajne wyjścia. Odmiana tego jest używana w Super Mario Galaxy 2, gdzie nazywa się "Cosmic Guide". Inna odmiana występuje w Donkey Kong Country Returns, gdzie również jest znana jako "Super Guide".
