Super Mario Odyssey ialah permainan platform di mana pemain mengawal Mario semasa beliau mengembara melintasi pelbagai dunia yang berbeza, yang dikenali sebagai "Kerajaan" dalam permainan, di atas kapal Odyssey yang berbentuk topi, dengan tujuan untuk menyelamatkan Puteri Peach daripada Bowser, yang merancang untuk mengahwininya secara paksa.[1][2] Kerajaan dalam permainan ini mengembalikan reka bentuk peringkat berasaskan penerokaan yang diperlihatkan dalam Super Mario 64.[3] [4] [5] Setiap Kerajaan memerlukan Mario untuk menyelesaikan pelbagai objektif untuk mendapatkan item yang dikenali sebagai Power Moons, yang merupakan sumber tenaga bagi Odyssey dan memberikan akses kepada Kerajaan baru. Bendera pusat pemeriksaan yang berselerak di seluruh Kerajaan membolehkan Mario melompat ke mereka setelah diaktifkan.[6][7] Beberapa tahap juga memaparkan kawasan yang disebut sebagai "zon rata," di mana Mario ditempatkan dalam persekitaran tatal sisi 2D yang mirip dengan penampilannya dalam Super Mario Bros yang asal.[8]

Selain daripada gerakan asasnya seperti melompat tiga kali dan lompat dinding, Mario mempunyai kemampuan untuk melemparkan topinya, yang mengambil bentuk semangat fizikal bernama Cappy, ke pelbagai arah untuk menyerang musuh dan digunakan sebagai platform sementara.[6][9] Apabila topi dilemparkan ke objek tertentu, musuh, atau watak yang tidak boleh dimainkan, Mario boleh mengawalnya, proses ini dikenali sebagai "menangkap," membenarkan beliau menggunakan kebolehan unik objek tersebut. Sebagai contoh, Mario boleh menangkap Bullet Bill untuk terbang melintasi jurang besar, Tyrannosaurus untuk memijak sesuatu, bolt elektrik yang dipanggil Spark Pylon untuk memanjat wayar elektrik, dan tangki yang dipanggil Sherm untuk menembak musuh serta memecahkan blok untuk membuka laluan.[10][11] Beberapa tindakan boleh dipercepatkan dengan menggunakan kawalan gerakan dalam pengawal Joy-Con, tetapi permainan ini juga boleh dimainkan sepenuhnya dengan Joy-Con yang dipasang pada konsol.[12] Sepanjang permainan, Mario boleh mengumpul syiling, yang terdapat dalam dua jenis; syiling biasa dan syiling berwarna ungu yang unik untuk setiap kerajaan, untuk dibelanjakan dalam pertukaran barangan seperti topi dan pakaian baharu. Beberapa item ini diperlukan untuk menyelesaikan objektif tertentu.[6] Permainan ini menggunakan sistem kesihatan yang serupa dengan permainan Super Mario Galaxy, walaupun Mario mempunyai nyawa tanpa had; satu-satunya hukuman untuk mati ialah membayar sepuluh syiling. Pemain juga boleh mengumpul item yang dikenali sebagai 'Life-Up Hearts' yang memberikan tiga mata pukulan tambahan. Permainan ini juga menyokong permainan koperatif, di mana pemain kedua mengawal Cappy dan boleh menyerang musuh secara bebas daripada Mario.[13][14]