Super Mario 3D World est un jeu d'action de plateforme 3D pour le Wii U, et un suivi de l'installation de Nintendo 3DS Super Mario 3D Land. Le jeu s'appuie sur l'installation précédente, à la suite d'une convention de conception de niveau 3D similaire inspirée des titres de plateforme 2D où les joueurs doivent naviguer à travers un niveau de conception linéaire dans un délai pour atteindre le pôle Goal de niveau. Un aspect clé introduit dans ce titre est le multijoueur simultané : bien que pas le premier jeu de la série à le faire, c'est le premier titre 3D de la série Mario à intégrer jusqu'à quatre joueurs coopérant l'un avec l'autre pour atteindre le but. Les joueurs peuvent choisir leur personnage dans une piscine de caractères jouables avant de commencer le jeu, et chacun de ces personnages ont leur propre style de jeu unique qui leur donne des avantages et des inconvénients sur d'autres personnages. Le jeu fait usage de plusieurs fonctionnalités exclusives Wii U, telles que des blocs de frappe avec l'écran tactile sur le GamePad et soufflant dans le micro pour révéler des objets cachés et de souffler des ennemis. Différents nouveaux power-ups sont introduits dans ce titre, avec le costume de marque étant le Power-up Cat, qui permet aux personnages d'effectuer une attaque en melee, grimper les murs et sauter en plein air, ainsi que le jeu généralement ayant un thème de chat.