De twee grootste namen in de wereld van videospellen ontmoeten elkaar op het grootste podium ter wereld voor een ultieme beproeving van vaardigheid, uithoudingsvermogen en sportiviteit. Mario & Sonic op de Olympische Spelen brengt bewoners van het Mushroom Kingdom en het Sonic-universum samen om het tegen elkaar op te nemen in 20 olympische evenementen, van baansport tot zwem- en schietsporten. De 16 personages worden op basis van hun bekwaamheid onderverdeeld in vier groepen. Sonic en Yoshi maken deel uit van de snelheidsgroep, Mario en Amy Rose zijn allround atleten, Peach en Tails neigen naar de technische kant en Bowser en Knuckles moeten het volledig van hun kracht hebben. Er zijn in het verleden wel meer spellen geweest in de stijl van de Olympische Spelen, maar nooit wist een dergelijk spel zo'n leuke, interactieve ervaring te bieden als nu mogelijk is met de Wii-afstandsbediening. Samen met de Nunchuk, laat de Wii-afstandsbediening je het kogelslingeren perfect nabootsen, maar je kunt ook boogschieten, zwemslagen nadoen en meer. Spelers kunnen ook geheime bonussen vinden om zo dat belangrijke streepje voor te krijgen op hun tegenstanders. Wii-atleten kunnen een gooi doen naar de gouden medaille in drie speltypes: Single Match (enkele wedstrijd), Circuit en Mission (missie). In het speltype Mission daagt het spel je uit om een taak te vervullen door een specifiek personage te gebruiken tijdens een evenement. In de speltypes Single Match en Circuit kunnen spelers alle personages kiezen en proberen het wereldrecord op hun naam te schrijven.