Permainan ini mengikuti gaya bermain serupa kepada Super Mario 3D Land yang menggabungkan kemainan rayauan bebas dalam judul-judul 3D Mario dengan mekanik permainan pelantaran berskrol sisi 2D dalam siri tersebut, sejauh juga dengan memasuki sebuah tiang bendera dan pemasa pada setiap tahap.[8] Empat watak pemain berbeza mula-mulanya disediakan dalam Super Mario 3D World: Mario, Luigi, Princess Peach, dan Toad. Tambahan pula, Rosalina adalah watak pemain kelima yang boleh didapati. Seakan-akan dengan ketampilan mereka dalam Super Mario Bros. 2,[9] setiap watak mempunyai kebolehan unik dan pengawalan mereka berbeza: Mario mempunyai kelajuan lari dan ketinggian lompat yang sederhana; Luigi melompat lebih tinggi tetapi mempunyai cengkaman yang lebih rendah; Peach dapat melompat lalu mengapung atas darat untuk sebentar waktu tetapi tidak melari sebegitu cepat; Toad melari tercepat berbanding yang lain tetapi tidak dapat melompat begitu tinggi dan berjatuh lebih cepat; manakala Rosalina boleh menggunakan serangan berputarnya seperti dilihat dalam judul-judul Super Mario Galaxy tetapi mempunyai kelajuan lari yang terlahan. Pemain dapat memilih sesiapa dari lima watak-watak ini untuk menggunakan sebelum permulaan sebuah tahap, dan sehingga empat pemain dapat meneroka tahap tersebut pada masa yang sama dengan setiap watak, berkongsi dari setabung nyawa tambahan. Seperti dalam New Super Mario Bros. Wii dan New Super Mario Bros. U, pemain-pemain dapat mengambil dan mengangkat satu sama lain untuk membantu mereka melalui beberapa tempat.[10] Tahap-tahap dimasuki melalui sebuah overworld berpeta, yang pemain-pemain dapat bebas meneroka untuk mencari rahsia-rahsia yang tersembunyi atau masuk tempat-tempat bonus untuk mendapat lebih lagi benda atau syiling. Setiap tahap mempunyai bintang-bintang hijau (Green Stars) tersembunyi, diperlukan untuk memasuki beberapa tahap yang khusus, dan setiap tahap utama juga mempunyai sebuah cap (Stamp) tersembunyi, yang dapat digunakan dalam pos-pos tulisan tangan ke Miiverse dalam komuniti permainan ini. Pemain-pemain juga dapat melihat pesanan-pesanan yang ditinggalkan oleh pemain-pemain lain, kedua-dua pada overworld peta dan selepas menyelesaikan sebuah tahap, serta boleh muat turun roh-roh Mii untuk dinampak dalam tahap-tahap.[11] Bintang hijau tambahan boleh diperolehi dalam tahap-tahap Captain Toad, di mana satu pemain mengawal Captain Toad yang perlahan apabila dia mengemudi tahap-tahap seperti teka-teki dengan menggunakan kefungsian GamePad, serta dalam rumah-rumah misteri (Mystery Houses), di mana pemain-pemain perlu melalui sebuah siri cabaran-cabaran dengan had-had masa yang pendek.[12][13]

Bersama dengan beberapa barang dari permainan-permainan dahulu, seperti Super Leaf, Mega Mushroom, Propeller Block dan Boomerang Flower, beberapa barang baru juga pertama diperkenalkan. Super Bell memberikan watak-watak sebuah pakaian kucing (Cat Suit), membolehkan mereka untuk berlari lebih laju, melakukan serangan yang unik dan memanjat dinding untuk mencapai tempat-tempat baru. Sebuah variasi Super Bell, iaitu Lucky Bell, membolehkan pemain untuk mengubah wataknya kepada sebuah patung kucing bertuah yang menghadiahi syiling-syiling dalam beberapa keadaan untuk waktu sementara.[14] Double Cherry mengeklonkan watak yang makannya, membolehkan serangan yang lebih berkesan. Satu klon diperbuat untuk setiap Double Cherry watak tersebut memakan. Watak-watak juga dapat memakai Cannon Boxes (kotak meriam) yang menembak musuh-musuhan, Light Blocks (blok cahaya) yang boleh menewaskan hantu-hantu, serta topeng Goomba yang membolehkan mereka menyamar dengan musuh-musuh Goomba. Mereka juga dapat mengangkat berjenis-jenis barang, seperti bom, besbol dan tumbuhan piranha (Piranha Plant), yang boleh digunakan untuk menewaskan musuh-musuh atau menyelesaikan teka-teki, dan menunggang dalam sepatu luncur atau di atas sebuah dinosaur berair yang bernama Plessie.[15]

Permainan ini juga menggunakan fungsi-fungsi GamePad Wii U, membolehkan pemain-pemain untuk menyental skrin sentuh atau meniup ke dalam mikrofon untuk mendedahkan blok-blok atau barang-barang tersembunyi, menghalang musuh-musuhan, serta mengaktifkan mekanisme, dan juga menyokong permainan tanpa televisyen.[16][17][18][19] Permainan ini juga serasi dengan Wii Remote, Nunchuk, Classic Controller, dan Wii U Pro Controller.[20] Sebuah versi Mario Bros. bertema Luigi, bernama Luigi Bros., boleh didapati setelah menyelesaikan permainan ini, ataupun mempunyai data simpanan dari permainan New Super Luigi U.[21]