Super Mario Odyssey place Mario au cœur d'une aventure en monde ouvert en 3D dont la structure rappelle celle des épisodes bac à sable de la franchise. Bowser a décidé d'épouser la Princesse Peach, et Mario, accompagné de son nouvel allié Cappy, embarque à bord de l'Odyssée — un vaisseau volant fonctionnant à l'énergie des Super Lunes — pour parcourir de vastes pays et contrecarrer ce plan.
Le scénario sert de fil conducteur à une exploration libre et progressive. Au total, 17 pays sont visités au fil de l'aventure. Les environnements traversés vont des ruines antiques mystérieuses aux paysages urbains illuminés par les néons, en passant par des stations balnéaires aux eaux pétillantes. Parmi ces destinations figure notamment New Donk City, une métropole peuplée d'humains qui tranche visuellement avec l'univers habituel de la franchise. Chaque pays dispose de ses propres mécaniques, de sa propre faune d'ennemis et de ses propres secrets à débusquer.
La mécanique centrale du jeu repose sur Cappy, un Chapiforme qui prend possession de la casquette de Mario. D'importantes nouvelles capacités sont introduites grâce à ce compagnon : Mario peut lancer Cappy comme un boomerang pour éliminer des ennemis ou activer des mécanismes, s'en servir comme plateforme supplémentaire pour allonger ses sauts, et surtout chapimorphoser plusieurs ennemis et créatures du jeu afin de prendre possession de leur corps et d'utiliser leurs capacités propres. Le répertoire de mouvements de Mario reste par ailleurs similaire aux opus 3D précédents, avec notamment la charge au sol, le triple saut ou encore le saut mural.
La collecte des Lunes de Puissance constitue l'objectif principal. Certaines s'obtiennent par des sessions de jeu proches de celles des anciens Mario 3D, tandis que d'autres peuvent être récupérées à l'issue de courtes phases de jeu. Le jeu propose également deux zones de fin de partie particulièrement exigeantes : Dark Side, un enchaînement de combats de boss accessible avec 250 Lunes de Puissance, et Darker Side, un parcours de plateforme intense combinant de nombreux éléments du jeu, déverrouillable avec 500 Lunes de Puissance. Ces zones s'adressent aux joueurs souhaitant pousser leur maîtrise du jeu à son niveau le plus avancé.
Le système économique interne du jeu repose sur deux types de monnaie. Chaque royaume abrite un magasin Crazy Cap où il est possible d'acheter des souvenirs, des costumes et des Lunes de Puissance. Les pièces dorées sont utilisables dans tous les magasins du jeu, tandis que les pièces locales (violettes) constituent une monnaie propre à chaque royaume et ne peuvent être dépensées que dans le magasin du pays où elles ont été collectées. Chaque royaume contient 50 ou 100 pièces locales à trouver, chacune ayant un emplacement spécifique.
Le jeu intègre un mode coopératif local à deux joueurs. Le second joueur peut saisir un Joy-Con pour incarner Cappy, tandis que le premier contrôle Mario. Ce mode permet à deux personnes de jouer simultanément sur le même écran, ce qui le rend accessible à des profils de joueurs variés, y compris des débutants accompagnés d'un joueur plus expérimenté.
Le jeu intègre également un mode photo permettant d'utiliser une caméra en mouvement libre pour capturer et sauvegarder des images, avec des options supplémentaires comme des filtres et des autocollants. Lors de la prise de captures d'écran, le jeu passe volontairement à 30 fps afin d'améliorer la qualité des photos obtenues.
Sur le plan technique, le jeu tourne à 60 images par seconde dans les deux configurations d'affichage principales. En mode téléviseur, la résolution atteint 1600 x 900 pixels, ce qui représente la résolution la plus élevée pour un Mario en 3D sur cette plateforme. En mode portable, la résolution est de 1280 x 720 pixels, avec un maintien constant à 60 fps.
Une mise à jour gratuite publiée après la sortie du jeu a enrichi le contenu disponible. Après avoir téléchargé cette mise à jour et terminé l'aventure principale, Luigi apparaît et propose un nouveau mode en ligne appelé Chasse aux ballons, auquel s'ajoutent de nouvelles tenues ainsi que de nouveaux filtres pour le mode photo. Ce mode se décline en deux variantes : le mode cache-ballons, où le joueur place des ballons dans des endroits stratégiques que d'autres joueurs doivent retrouver en temps limité, et le mode trouve-ballon, où il s'agit au contraire de localiser les ballons dissimulés par d'autres joueurs pour accumuler un maximum de points.
Le jeu est compatible avec les figurines amiibo. Les amiibo à l'effigie de Mario, Peach et Bowser dans leurs tenues de mariage permettent d'activer des capacités spéciales en jeu et de débloquer des costumes exclusifs, qui ne sont autrement disponibles qu'après avoir progressé suffisamment dans l'aventure. D'autres amiibo compatibles peuvent fournir des indices sur l'emplacement des Lunes de Puissance dans chaque royaume.
Le titre est également compatible avec le Nintendo Labo pour une expérience en réalité virtuelle, et tire parti des vibrations HD des Joy-Con. Il se joue indifféremment en mode téléviseur, en mode sur table ou en mode portable, selon les trois configurations caractéristiques de la console Nintendo Switch.
Le jeu propose quelque chose à offrir à tous les profils : les débutants peuvent obtenir des conseils au fur et à mesure qu'ils progressent, tandis que les joueurs expérimentés peuvent relever le défi de collecter la totalité des objets du jeu, ce qui représente un objectif de longue haleine. La version physique pour le marché français est distribuée sur cartouche Nintendo Switch (format NSW) et contient les textes et menus en langue française.
