ある日、キノコ王国で、天才発明家オヤ・マー博士が、タイムマシンを発明しました。その原動力は「コバルトスター」！！よろこんだピーチ姫は、さっそく過去のキノコ王国へと旅立ち、それを見たキノじいは心配のあまり倒れこんでしまいました。
そこへ現れたのが、ボロボロになったタイムマシンとナゾの宇宙人。しかもピーチ姫の姿はどこにもありません。博士によると、姫はまだ過去の世界にいるようです。城の中には、過去へつながっているというタイムホールも発見されました。
そこで、マリオとルイージの出番です！タイムホールへ飛び込んで、新たな冒険の始まり始まり！！過去の世界で出会う子供の頃の自分たち——
ベビィマリオやベビィルイージと共に力を合わせて
さぁ、ピーチ姫を救い出しましょう！