El juego fue planeado originalmente como una simple continuación de Super Mario Galaxy con unas pequeñas modificaciones a su sistema de juego —dicha versión sería llamada como «Super Mario Galaxy More»—.

A lo largo de su travesía, Mario conoce nuevos Destellos y su compañero Yoshi se le une a la aventura junto con «La Brigada Toad» —«The Toad Brigade»— del Galaxy original, y su hermano Luigi.

Mario logra burlar las defensas de la base enemiga y derrota a Bowser, consiguiendo rescatar así la última «Grand Star».

Rosetta (Rosalina en Hispanoamérica, y Estela en la versión española) junto con el Planetarium del Cometa del primer Galaxy se aparecen frente a Peach y Mario, una vez que la maldad fuera derrotada.

Para que sea un personaje elegible en cualquier punto del juego, se debe concluir primeramente el 6.° mundo.

Su hijo, Bowser Jr., le ayuda en sus intentos por frustrar los avances de Mario y Luigi.

Igualmente la «Brigada Toad» reaparece en Galaxy 2, cuyos miembros apoyan a Mario durante algunos niveles.

Además, durante la secuencia final del juego, la princesa aparece en el «Planetarium del Cometa» y le agradece a Mario por salvar una vez más el Universo, al igual que por haber cuidado de un pequeño Destello que le siguió durante su aventura.

Al igual que en la anterior entrega, el juego consiste en viajar y explorar las diferentes galaxias con el fin de conseguir «Power Stars» las cuales son obtenidas si se completan desafíos en los distintos niveles y terminando ciertos retos a lo largo del juego, además de que su recolección permite al jugador acceder a nuevos niveles y mundos.

En estos casos, las «Green Stars» están escondidas o localizadas en puntos de difícil acceso, donde el punto fundamental para su obtención consiste en un enfoque sobre la exploración intensa y en la precisión, pues si el jugador falla causará la muerte instantánea del personaje.

[17]​ Además, los «Cometas Pícaros» se volvieron más generalizados, pues ya no ofrecen ninguna variación entre ellos: mientras que en Super Mario Galaxy existen 5 tipos diferentes de retos, los cometas en Super Mario Galaxy 2 varían en diversas empresas que mezclan y solapan los desafíos de su predecesor, como el caso de derrotar a todos los enemigos rápidamente, recolectar 100 monedas púrpura, completar un nivel en un tiempo límite o evadir a muchos «Clones Cósmicos» —que son doppelgängers de Mario que imitan y ejecutan todos los movimientos realizados por el jugador—, entre otros.

[19]​ Mario es capaz de montar sobre el dinosaurio Yoshi, que se encuentra en ciertos niveles del juego.

La «Guindilla Veloz» le permite a Yoshi correr a una rápida velocidad, dándole así la capacidad de andar sobre paredes y caminar sobre el agua; la «Fruta Globo» hace que Yoshi flote sobre el aire; y la «Flor Luz» le da el poder a Yoshi de crear un resplandor y revelar así caminos secretos.

[22]​ También hay unos monitores llamados «Pantallas guía» —«Hint TV»— que muestran mediante videos sobre cómo realizar ciertos movimientos o enseñar diversos métodos sobre el uso de los diferentes poderes.

En Galaxy 2, ahora el segundo jugador puede controlar a un «Destello» naranja que posee las habilidades del cursor ya mencionadas; aun así, puede atacar físicamente a los enemigos, recolectar objetos y poderes, haciendo que el entorno del jugador se vuelva más dinámico.

[27]​ Los videos tutoriales del juego fueron incluidos como un sistema opcional de ayuda, llamado «Tip Network», para asesorar a los jugadores y familiarizarlos con el sistema de juego del Galaxy original.

Miyamoto comparó a Super Mario Galaxy 2 con The Legend of Zelda: Majora's Mask, pues mencionó que ambos juegos usan los mismos motores que sus predecesores y fueron desarrollados con base a su jugabilidad, aunque divergen de sus anteriores versiones en sus mejoras técnicas.

Incluso mencionó que a diferencia de The Legend of Zelda: Ocarina of Time, en Majora's Mask el sistema de juego cambió con respecto a su predecesor, pues se le incluyó el «sistema de tres días» que permite cambios drásticos en el entorno del personaje, una característica análoga que comparten Galaxy 2 y su precuela.

[28]​ En la conferencia privada de Miyamoto, se indicó que el desarrollo del juego estaba muy avanzado, pero su lanzamiento se retrasó hasta el año 2010 debido al lanzamiento de New Super Mario Bros.

Wii;[32]​ esto fue confirmado por el gerente general de gestión sobre el producto de Nintendo, Bill Trinen, quien dijo que dicha característica sería diferente a la que aparece en New Super Mario Bros Wii.

[38]​ Ryo Nagamatsu, quien trabajó anteriormente en Wii Sports Resort y New Super Mario Bros.

[39]​ El compositor de Nintendo, Koji Kondo, contrató 60 músicos para la banda sonora del título, diez más de los que se usaron para el primer juego, junto con 10 músicos adicionales que añadieron un estilo big band a la música pues tocaban trompetas, trombones, saxofones y tambores, sumando en total 70 instrumentistas.

[40]​ La banda sonora está disponible en un set de dos discos para los miembros del Club Nintendo japonés.

La Official Nintendo Magazine lo llamó como el «nuevo mejor título para Wii», pero dijo además que carecía de un impacto original —aunque también comentó que el juego tenía un exceso de dificultad, a comparación del original—.

[58]​ Louis Bedigian del sitio GameZone.com calificó al juego con un 9,5 de 10, comentando que «Mario Galaxy 2 podría ser la secuela perfecta.

Dicho esto, Nintendo ha realizado un trabajo increíble en la creación de niveles innovadores que hacen del juego algo fresco otra vez, hasta el punto en que casi se siente como si estuvieras experimentando Mario Galaxy por primera vez».

En Japón Super Mario Galaxy 2 vendió 143 000 copias en su primer día de lanzamiento, y 340 000 durante su primera semana, aproximadamente 90 000 más que su predecesor en el mismo lapso.

[73]​ También, fue nombrado como el «Juego del año para Wii» por IGN,[74]​ GameTrailers,[75]​ GameSpot,[76]​ 1UP.com,[77]​ al igual que otros medios especializados.

[78]​ Super Mario Galaxy 2 fue nominado en los 2011 Kids' Choice Awards en la categoría de «Videojuego favorito», pero perdió ante Just Dance 2.