Mario & Sonic at the Olympic Winter Games is een officieel spel gebaseerd op de Olympische Winterspelen in Vancouver 2010. Net als in de voorganger zijn er 20 personages uit de twee franchises die strijden in 15 Olympische disciplines. Daarnaast zijn er ook enkele droomevenementen die een fantastisch element toevoegen aan een bekende sport, bijvoorbeeld skispringen met raketten. Elk van deze disciplines wordt gespeeld met een minigame die verschillende acties van de speler vereist, bijvoorbeeld het indrukken van knoppen in het juiste ritme voor schaatsen of sturen tijdens het snowboardevenement. Sommige gebruiken het touchscreen, terwijl andere vertrouwen op traditionele besturingen.
De DS-exclusieve adventure-modus bevat een verhaal waarin Dr. Eggman en Bowser al het ijs dat nodig is voor de Olympische Spelen laten smelten. Om de zaken recht te zetten, moeten Mario & Sonic naar verschillende locaties reizen, praten met de inwoners en uitdagingen oplossen. Die bestaan uit de sportminigames met bepaalde winstvereisten. Door deze modus te spelen, worden ook de droomevenementen ontgrendeld. Daarnaast kunnen spelers ervoor kiezen om de partygame-modus in te gaan of de games afzonderlijk te spelen in een aangepast toernooi. Alle modi, behalve de avontuurmodus, zijn beschikbaar voor maximaal vier spelers.