Mario está de férias na Terra dos Dinossauros quando descobre que a Princesa Peach Toadstool foi sequestrada pelo malvado Rei Koopa Bowser. Quando Mario começa a procurá-la, ele encontra um ovo gigante com um dinossauro chamado Yoshi saindo dele. Yoshi diz a Mario que seus companheiros dinossauros foram aprisionados em ovos pelos subordinados de Bowser. O intrépido encanador tem que viajar para seus castelos, resgatar os dinossauros e, eventualmente, enfrentar o próprio Rei Koopa, forçando-o a libertar a princesa.
Super Mario World é um jogo de plataforma de salto e corrida e uma continuação de Super Mario Bros. 3. A jogabilidade é semelhante às versões anteriores e inclui plataformas de ritmo acelerado em (principalmente) estágios de visão lateral preenchidos por vários inimigos e armadilhas, que devem ser concluídos dentro dos limites de tempo. Mario tem acesso a seus power-ups tradicionais - o Super Mushroom que o torna maior, a Fire Flower que permite que ele jogue pequenas bolas de fogo nos inimigos e outros. Um novo power-up é o Cape Feather: ao usar a capa, Mario pode girar para ferir os inimigos e voar desde que o jogador consiga manter o equilíbrio no ar. Outra novidade é a possibilidade de montar o dinossauro Yoshi, que pode comer inimigos e ganhar ataques especiais de alguns deles. Para desbloquear certas áreas, às vezes é necessário pegar e transportar itens fisicamente (por exemplo, chaves) e usá-los em locais apropriados.
O mundo do jogo é dividido em várias grandes áreas, cada uma contendo vários estágios. Os cenários ao ar livre prevalecem, mas também há muitos níveis subterrâneos e subaquáticos. Cada grande área tem pelo menos uma casa fantasma, normalmente contendo armadilhas mais elaboradas e inimigos fantasmagóricos não destrutíveis. Para se aventurar na próxima área, o jogador geralmente tem que visitar um castelo (uma fase mais difícil com inimigos mais difíceis e armadilhas perigosas) e derrotar o chefe inimigo que o guarda.
Muitos estágios têm saídas secretas, que levam a áreas opcionais, como fortalezas com inimigos chefes recorrentes, estágios interconectados do Star World e Switch Palaces, que permitem ao jogador materializar tijolos especificamente coloridos em todos os estágios, obtendo acesso a power- ups e outros segredos. Áreas secretas também podem abrir acesso a outros tipos de dinossauros, com diferentes habilidades, como cuspir fogo ou voar.