Mario is op vakantie in Dinosaur Land als hij erachter komt dat Princess Peach Toadstool is ontvoerd door de kwaadaardige King Koopa Bowser. Wanneer Mario naar haar op zoek gaat, vindt hij een gigantisch ei met een dinosaurus genaamd Yoshi die eruit komt. Yoshi vertelt Mario dat zijn mede-dinosaurussen door Bowsers ondergeschikten in eieren zijn opgesloten. De onverschrokken loodgieter moet naar hun kastelen reizen, de dinosaurussen redden en uiteindelijk koning Koopa zelf onder ogen komen, waardoor hij gedwongen wordt de prinses te bevrijden.
Super Mario World is een jump-and-run-platformgame en een vervolg op Super Mario Bros. 3. De gameplay is vergelijkbaar met eerdere delen en omvat snelle platformactie in (voornamelijk) zijaanzichten met verschillende vijanden en vallen, die binnen de tijdslimiet moeten worden voltooid. Mario heeft toegang tot zijn traditionele power-ups: de Super Mushroom die hem groter maakt, de Fire Flower waarmee hij kleine vuurballen naar vijanden kan gooien, en nog veel meer. Een nieuwe power-up is de Cape Feather: wanneer Mario de cape draagt, kan hij draaien om vijanden te verwonden en vliegen zolang de speler zijn evenwicht in de lucht kan behouden. Een andere nieuwe functie is de mogelijkheid om op de dinosaurus Yoshi te rijden, die vijanden kan opeten en speciale aanvallen van sommigen van hen kan krijgen. Om bepaalde gebieden te ontgrendelen, is het soms nodig om items (bijv. sleutels) fysiek op te pakken en te dragen en ze op de juiste plaatsen te gebruiken.
De wereld van het spel is verdeeld in verschillende grote gebieden, elk met een aantal levels. Buitenscenario’s overheersen, maar er zijn ook veel ondergrondse en onderwaterlevels. Elk groot gebied heeft minstens één spookhuis, meestal met uitgebreidere vallen en spookachtige, niet-vernietigbare vijanden. Om naar het volgende gebied te gaan, moet de speler meestal een kasteel bezoeken (een moeilijker level met moeilijkere vijanden en gevaarlijke vallen) en de eindbaasvijand verslaan die het bewaakt.
Veel levels hebben geheime uitgangen, die leiden naar optionele gebieden, zoals forten met terugkerende eindbaasvijanden, onderling verbonden levels van de Star World en Switch Palaces, die de speler in staat stellen om specifiek gekleurde stenen te materialiseren in alle levels, om toegang te krijgen tot power-ups en andere geheimen. Geheime gebieden kunnen ook toegang bieden tot andere soorten dinosaurussen, met verschillende vaardigheden zoals vuur spuwen of vliegen.