Mario et Sonic aux Jeux olympiques propose sur Wii et Nintendo DS un ensemble de 24 épreuves tirées des Jeux olympiques. Le joueur incarne un personnage de Nintendo ou de Sega et concourt contre les autres dans ces épreuves. Dans la version Wii, il utilise la Wiimote pour reproduire les mouvements réels, par exemple ceux d'une raquette de tennis. Dans la version DS, le stylet et les boutons de contrôle sont utilisés. Les deux versions suivent de près les règles des différents sports. Sega adopte la mission du CIO de promouvoir un esprit sportif et son désir d'intéresser les jeunes aux Jeux olympiques en utilisant ses personnages. Pour ces raisons et pour l'atmosphère d'esprit sportif compétitif que doivent offrir les Jeux olympiques, Sega reçoit l'autorisation de Nintendo d'inclure Mario dans le jeu avec Sonic.
Globalement, les critiques saluent l'interaction multijoueur de la version Wii et la variété des épreuves des deux versions. Ils critiquent cependant la version Wii pour son manque de simplicité et la version DS pour ne pas offrir la même interaction entre les joueurs. Le jeu Wii reçoit le titre de « Meilleur jeu Wii 2007 » à la Games Convention de Leipzig. Vendu à plus de onze millions d'exemplaires, Mario et Sonic aux Jeux olympiques est un succès commercial. C'est le début d'une série de jeux de sports sur les Jeux olympiques.