1996年6月23日、NINTENDO64と同時発売（他の同時発売ゲームは『パイロットウイングス64』と『最強羽生将棋』）。価格は9800円（税抜）。後に『スーパーマリオ64DS』としてニンテンドーDSでリメイクされた。

「スーパーマリオ」シリーズ初の本格的な3D アクションゲームとして発売された。
それまで家庭用ゲーム機に於ける「3Dアクションゲーム」は、「ステージそのものは3Dポリゴンで構成されているがルートは予め決まっており、ステージの最後でゴール条件をクリアするかボスを倒せばステージクリア」となるものが殆ど（ちょうど、『スーパーマリオブラザーズ』のステージをそのまま3Dポリゴンで描画したようなものである）だったが、本作はステージがどの方向にも自由に移動できる「3Dの箱庭」として構築されているというのが最大の特徴。

要するに、「本当の意味で3D空間を自由に歩き回れる初の家庭用ゲーム機向けソフト」なのである。

マリオの顔を手のアイコンでいじって遊べる謎の機能もあり、ネタの豊富さもマリオペイントに匹敵する…かも?

翌年の1997年にはウエーブレース64と共に振動パック対応版が発売。値段が大幅に下がり、赤コインを入手した時の効果音が海外版と同様になる、ピーチ姫にボイスの追加、一部バグの修正など細かい変更点がある。

タイムアタック競技が盛んなゲームとして有名。発売から20年以上が経過した現在でも、実機（RTA）・エミュレータ（TAS）双方で日々ガチ勢がタイムをいかに縮めるかの研究が行われており、特に後者では後述する「ケツワープ」バグなどを活用したネタ動画も多数アップされている。

2020年9月18日に発売予定であるニンテンドースイッチ対応ソフト「スーパーマリオ3Dコレクション」には1本目として収録。選択画面に表示されているパッケージは無印版だが、収録されているのは振動パック対応版なので注意。

ストーリー

またまたピーチがさらわれた。そしてマリオの大冒険の旅がいま始まる!

『おしろへ　あそびにきてください。ケーキを　つくって　まってます。　ピーチより』

「Wow、ピーチからの招待状だ。今すぐ行くよ待ってておくれ!」
ピーチ姫から手紙をもらったマリオは大喜び。
しかし、マリオがピーチ城に来てみると、城はもぬけの殻。
たまたま近くにいたキノピオに話を聞いてみると、クッパが突然城にやってきて、城の力の源である「パワースター」を奪い、さらにピーチを始めとした城の住人たちを絵の中に閉じ込めてしまったとのこと。
困ったマリオは、一か八か、壁に掛かった絵の中に飛び込んでみました。するとどうでしょう、そこにはまったく別の世界が!
どうやらクッパは絵の世界の住人も怪物にしたてあげ、本当の世界に送りこんで、マリオたちの国を支配しようとしており、奪われたパワースターは、絵の世界のさまざまな場所に隠されているらしい。
ぐずぐずしてると、この世界はクッパ軍団のものになってしまう。
「やっぱりこれは、クッパのしわざだ!　クッパの思い通りにさせてたまるか!」
さあいけ、マリオ!やっぱりたよりになるのは君しかいない。知恵と力でピーチ城の平和を取り戻せ!
（一部文章は取扱説明書から抜粋）

コース

全部で15個あり、1コースに7つスターが手に入る。（100枚コイン含む。）。
クッパステージなどコース番外のスターは、「おしろのかくれスター」という名前でひとくくりになっており、15枚隠されている。

ピーチ城1階

番号	名前
1	ボムへいのせんじょう
2	バッタンキングのとりで
3	かいぞくのいりえ
4	さむいさむいマウンテン
5	テレサのホラーハウス

ピーチ城地下

番号	名前
6	やみにとけるどうくつ
7	ファイアバブルランド
8	あっちっちさばく
9	ウォーターランド

ピーチ城2階

番号	名前
10	スノーマンズランド
11	みずびたシティー
12	たかいたかいマウンテン
13	ちびでかアイランド

ピーチ城3階

番号	名前
14	チックタックロック
15	レインボークルーズ

その他：おしろのかくれスター

黒い任天堂

本作にもお約束?の「黒い任天堂」的な要素が幾つか見られる。
まず、マリオの死に方のバラエティ。
そのバラエティたるや「ドンキーコング（ゲームボーイ版）」にも迫るほどである。
流石にドンキーコングにおける一部の死に方のようなエグいものは無いものの、

（妙にリアルな）溺死
高所からの落下
（ドッスンなどに）潰される
焼死
感電死（ビリキュー等によるダメージ）

などと中々の多彩な死に方である。
また、ダメージにより体力が0になったときの死に方（バタッと倒れる）や、ゲームオーバー時の画面（背景が赤ベースになり、散々な表情のマリオが表示される）も中々のトラウマもの。
さらに目玉のお化けアイクン、水中でマリオを吸い込もうとする穴、何よりマリオ史上最凶のドッキリキャラ候補とも思われるキラーピアノなど、敵キャラやトラップも中々どうしてエグいものが少なからずある。

バグなど

本作はN64という新ハードのソフト第一弾や、或いは「本当の意味での3Dゲーム第一弾」であることもあってか、いくつかのバグが存在する。
有名なものとしてケツワープがある。

細かいことはニコニコ大百科の記事の方が詳しいが、要するに「壁に向かって後ろ幅跳びを連続して繰りだすとマリオに加速度が蓄積され、その状態で移動するととんでもない速度でマリオが吹っ飛んでいく」というものである。
(厳密には、階段のような場所で幅跳びのタイミングを合わせると、加速していき壁にぶつかって勢いが無くなるまで何故か滑る現象である)
実機でも再現できる技ではあるが、とにかく制御が難しいのでTASの記録更新のような競技に使う、或いは単なる小ネタとして使う以外は（一般のプレイヤーにとっては）それほど利用価値があるとは言えない技でもある。（そもそもそういう技を使わなくても十分クリアすることも遊ぶこともできるゲームである）。
尚、後に発売された振動パック対応版ではケツワープを筆頭としたバグは修正されている。

漫画版

沢田ユキオ作のスーパーマリオくんではコロコロコミックと学年誌で「スーパーマリオ64編」として展開。
コロコロ版では途中からヨッシーとゲームには登場しないルイージが同行しており、学年誌版ではマリオと赤ボムとヨッシーのメンバーで進み、ルイージは冒頭で少しだけ登場する程度に留まっている。

余談

本作のマリオは、クッパとの対決にジャイアントスイングを披露している。これはOVA「ピーチ姫救出作戦」でマリオがクッパを倒した時に披露している。また高瀬版スーパーマリオくんや大乱闘スマッシュブラザーズシリーズでもマリオはジャイアントスイングを行う。

今でこそ家庭用ゲーム機向けソフトでも「ゲーム内の空間を好き勝手に歩き回れる」のが当たり前となっているが、当時はこれだけでも非常に衝撃的な内容であり、N64の性能を見せつける印象的なタイトルになった（そもそも、N64自体がこのようなタイプのゲームを実現させるために開発されたゲーム機だったのだ）。一方で、それまでの（視点固定の）3Dゲームと違い視点が激しく変わるので酔いやすく「マリオ64で3D酔いを初めて味わった」という人や、本作のプレイがトラウマになって3Dアクションゲームに苦手意識を持ってしまう人も少なくなかった。本作以降、任天堂は「酔いにくいゲーム」を目指して3Dアクションゲームのカメラ視点に試行錯誤を繰り返すことになる。

本作が他社や他シリーズに与えた影響も非常に大きく、例えばスクウェア（現スクウェア・エニックス）の「キングダムハーツシリーズ」は本作にヒントを得た（FFのキャラをマリオ64のように3Dの箱庭を歩かせてみる、というのが出発点らしい）とも言われている。