Como en el original, la trama se centra en rescatar a la Princesa Peach de Bowser.

Nintendo presentó Super Mario 64 DS como demo multijugador en el E3 2004, y lo puso a la venta en noviembre de 2004.

Mario derrota al Rey Boo y libera a Luigi, que usa un potenciador de invisibilidad para derrotar al Jefe Chilly, y luego libera a Wario usando la llave.

Tras derrotarle cada vez, reciben una llave que abre más niveles del castillo.

[5]​ Tras recoger 80 Power Stars, Mario y sus amigos llegan a la zona más alta del castillo, donde tiene lugar la batalla final contra Bowser.

Estos retos incluyen derrotar a jefes, resolver puzles, competir con un oponente y recoger monedas.

Los sombreros se caen si el personaje es golpeado, pero pueden volver a adquirirse.

La pantalla superior muestra el juego normal, mientras que la inferior puede funcionar como mapa desplegable y controles táctiles.

Todos los minijuegos utilizan la pantalla táctil para jugar y se basan en diferentes temas: carreras, juegos de cartas, puzles, etc.

[8]​ Unos meses más tarde, Nintendo anunció que se estaba desarrollando un juego real, junto con muchos otros.

[11]​ En la conferencia de Nintendo DS del 7 de octubre de 2004, se volvió a mostrar el juego y se reveló nueva información; el nombre cambió a Super Mario 64 DS y se utilizarían cuatro personajes diferentes (Mario, Luigi, Yoshi y Wario) en la aventura principal para un jugador.

[33]​ Tras su lanzamiento, IGN lo etiquetó como «Elección del Editor» y le otorgó el título de «Juego del Mes» para la Nintendo DS, citando el juego como un «gran logro» en las capacidades de la consola.

Harris criticó los controles del juego, calificándolos de un poco «lentos» y «torpes».

[8]​ Aunque alabó los gráficos y las novedades jugables, Harris expresó su decepción por el hecho de que Mario se hubiera lanzado para la nueva consola como un remake y no como un juego completo.

[43]​ Anoop Gantayat de IGN, predijo que el juego sería un gran éxito entre los aficionados estadounidenses.

En Japón, Famitsu clasificó Super Mario 64 DS como el 29º juego más popular.

[36]​ En cambio, Jeremy Parish de 1UP.com, opinaba que el juego no ofrecía suficientes contenidos nuevos para justificar la compra.

[7]​ Harris repitió comentarios similares y señaló que la pantalla táctil no proporciona una respuesta física como un stick analógico.

Añadió que el juego nunca estuvo pensado para jugarse sin los controles analógicos adecuados.