馬力歐（克里斯·帕拉特配音）和路易吉（查理·戴配音）是生活在布魯克林的兩名水管工，他們剛剛成立了一家小型管道工程公司，卻未得到家人支持。某日工作中，兄弟倆意外被神秘水管吸入奇幻異世界，在穿越過程中被迫分離。馬力歐墜落到由碧姬公主（安雅·泰勒-喬伊配音）統治的蘑菇王國，得知酷霸王（杰克·布萊克配音）正準備發動戰爭強娶公主。關鍵時刻，碧姬帶領馬力歐前往叢林王國尋求援軍支持，其統治者父子（塞斯·羅根配音）答應出兵協助。與此同時，路易吉被傳送至庫巴王國，在敵方地牢中與囚犯們建立聯系并逐漸成長。最終兄弟重逢，二人發揮水管工特長協作破解機關，在蘑菇王國軍民與叢林援軍配合下挫敗酷霸王的婚禮陰謀，成功解救碧姬公主并修復異世界通道。戰后兄弟返回布魯克林，在家人認可中重啟事業，而酷霸王則被改造成蘑菇王國的和平使者。