Även om New Super Mario Bros. Wii är ett plattformsvideospel i 2D är vissa av karaktärerna och objekten polygonala 3D-bilder på 2D-bakgrunder, vilket ger en 2,5D-effekt (som även ses i New Super Mario Bros. ) som visuellt simulerar 3D-datorgrafik. Spelarna kan spela som antingen Mario, hans bror Luigi eller två Toad-figurer: en blå och en gul (där den första spelaren alltid är Mario). Kontrollerna liknar dem i New Super Mario Bros. med de extra möjligheterna att snurra i luften genom att skaka Wii Remote och att plocka upp, bära och kasta andra spelare. I flerspelarläget kan spelare spela mot upp till fyra spelare samtidigt. Om en spelarkaraktär förlorar ett liv och har minst ett liv i reserv kommer han att återuppstå inkapslad i en bubbla och kan återuppta spelet när en annan spelare befriar honom genom att röra vid bubblan eller en eld-/isboll (spelaren kan skaka Wii Remote för att flytta sin bubbla närmare en aktiv spelare, men kan inte befria sig själv). Om en spelare förlorar ett liv och inte har några fler liv måste en Continue användas för att börja om med fem liv. Spelarna kan också innesluta sig själva i bubblan genom att trycka på A-knappen medan en mer skicklig spelare tar sig igenom ett svårt segment. Om alla karaktärer i en co-op-session går in i bubblor samtidigt (antingen genom att dö eller genom att trycka på A-knappen) förloras nivån och de måste börja om.
I flerspelarläget, om en eller flera spelare inte hänger med den som ligger i täten, kommer vyn på vissa banor att panorera ut lite så att spelaren eller spelarna som ligger i täten fortfarande är synliga. Om spelarna fortfarande inte hinner ikapp släpas de sedan med i skärmens kant, tills de rör sig snabbare framåt eller förlorar ett liv genom ett fall eller annat föremål. Om en spelare går in i ett rör, klättrar i en vinstock, tar tag i flaggstången i slutet av scenen osv. utan de andra, kommer de andra spelarna att warpa till samma plats efter en kort tid, eller har en begränsad tid på sig att ta tag i stången innan banan tar slut. På vertikalt rullande banor leder det till att man förlorar ett liv om man hamnar under skärmen. På världskartan styr Mario (spelare 1) navigeringen.
Spelarna återvänder till kartskärmen om alla spelare har slut på liv eller om alla spelare förlorar sina liv samtidigt och ingen kan befria dem. För de flesta nivåer finns det en flagga i mitten som om den rörs vid återvänder spelaren till den punkten efter att ha dött och skickats tillbaka till kartskärmen. Etappen avslutas genom att minst en spelare rör vid målet i slutet, även om en bonus delas ut om alla spelare lyckas ta tag i flaggan inom tre sekunder från det att den första spelaren tagit tag i den. I några få nivåer finns det förutom det normala målet och flaggstången en alternativ utgång som leder till en röd flaggstång. När man når detta mål öppnas en ny väg på kartan, som leder till nya etapper på övervärldskartan och ibland till en warpkanon (som spränger spelaren iväg till en senare värld). Spelet har inget flerspelarläge online. I singelspelarläget skickar förlorandet av ett liv spelaren tillbaka till kartskärmen.
Förutom de vanliga föremålen från Mario-serien och minisvampen från New Super Mario Bros. har nya föremål lagts till, bland annat: propeller-svampen, som gör att spelaren kan flyga, isblomman, som gör att spelaren kan frysa fiender med snöbollar, och pingvin-dräkten, som utöver isblommans förmåga gör att spelaren kan glida på marken och över vatten samt ha bättre kontroll på is och i vatten. Spelarna kan också rida på Yoshis, som dyker upp i vissa nivåer och som kan svälja fiender och fladdra i luften. Alla nivåer kan nås via en kartskärm, och fiender vandrar ofta omkring på den. Om spelaren stöter på en när han eller hon rör sig på kartan startar en "miniboss"-strid; om spelaren lyckas i striden kan han eller hon tjäna tre extra supersvampar. Det finns också Toad Houses där spelaren kan tjäna extra liv och föremål som kan utrustas på kartskärmen. Vid vissa tillfällen dyker en Toad upp som är instängd i en av de tidigare avslutade nivåerna, och spelaren kan välja att rädda honom från ett block och bära honom säkert till slutet av scenen för att tjäna bonusliv (detta kan bara göras med en spelare). Det finns tre stjärnmynt gömda i varje bana som kan spenderas på tipsfilmer som visar vissa hemligheter, till exempel var ett hemligt mål finns eller hur man får oändliga 1-ups. Genom att samla alla stjärnmynt i en värld låser man upp en bana från den hemliga World 9 som endast kan spelas efter att huvudspelet har avslutats.
Spellägen
Spelet har möjlighet att spela med upp till fyra spelare samtidigt. Förutom huvudhistorieläget, som kan spelas i antingen singel- eller flerspelarlägen, finns det två dedikerade flerspelarlägen. "Free-for-All Mode" rankar spelarna i slutet av varje bana efter poäng, mynt och dödade fiender, medan det andra läget, "Coin Battle", rankar spelarna efter antalet insamlade mynt.
Kontrollsystem
Spelet spelas antingen i klassisk stil, med Wii Remote horisontellt hållet, eller med Nunchuk-stilen. Nunchuk används för att förflytta sig. Vissa handlingar, som hopp och attacker, utförs med knapparna, medan andra, som att snurra i luften och plocka upp andra spelare, utförs genom att skaka Wii Remote. Vissa områden i nivåerna, till exempel specifika plattformar, kan också manipuleras genom att luta Wii Remote.
Superguide
Spelet är det första till Wii med "Super Guide", ett nytt system som utvecklats av Mario-skaparen Shigeru Miyamoto. Om en spelare dör åtta gånger i rad på en nivå i singelspelarläget visas ett grönt "!"-block som gör att en datorstyrd Luigi kan visa spelaren en säker väg genom nivån. Spelaren kan när som helst avbryta guiden och ta över kontrollen. Efter att Luigi har slutfört den har spelaren möjlighet att prova nivån igen, eller hoppa över den helt och hållet. Luigi kommer dock inte att avslöja några platser för stjärnmynt eller hemliga utgångar. En variant av detta används i SuperMario Galaxy 2, där det kallas "Cosmic Guide". En annan variant finns i Donkey Kong Country Returns, där den också kallas "Super Guide".
