داستان بازی Super Mario 64 با دعوت شاهزاده پیچ از ماریو برای آمدن به قصرش آغاز میشود. شاهزاده در این دعوت قول یک کیک خوشمزه را به ماریو میدهد. اما وقتی ماریو به قصر میرسد، متوجه میشود که قصر خالی و شاهزاده ناپدید شده است. خیلی زود مشخص میشود که شخصیت شرور بازی، یعنی باوزر، شاهزاده پیچ را ربوده و قصر را تحت کنترل خود درآورده است.
برای نجات شاهزاده، ماریو باید وارد دنیای جادویی نقاشیهایی شود که در اتاقهای مختلف قصر قرار دارند. هر نقاشی دروازهای به یک دنیای منحصر به فرد است که پر از چالشها، دشمنان و ستارههای قدرت مخفی است. جمعآوری این ستارهها کلید باز کردن مناطق جدید قصر و در نهایت دسترسی به قلعه باوزر است.
ماریو با پشتکار و مهارت، پس از جمعآوری تعداد کافی از ستارههای قدرت، به مبارزه با باوزر میپردازد و تلاش میکند شاهزاده پیچ را نجات داده و آرامش را به قصر بازگرداند. این داستان هیجانانگیز، زمینهساز یکی از محبوبترین بازیهای پلتفرمر سهبعدی در تاریخ بازیهای ویدیویی شده است.