비 내리는 뉴욕 브루클린 거리의 수녀원 앞에 보자기에 쌓인 한 개의 큰 알이 버려지고, 거기서 예쁜 여자아이가 태어난다. 아기는 공룡을 연구하는 여대생 데이지(사만다 매디스 분)로 자라나고 유적지를 발굴하던 중 공룡의 진화족이 사는 지하 세계의 폭군 쿠파 왕(King Koopa)이 보낸 덜떠러진 부하 이기(피셔 스티븐스 분)와 스파이크(리차드 애드슨 분)에 의해 납치된다. 그녀를 쫓아가던 배관공 마리오 형제(Mario Mario: 봅 홉킨스 분 / Luigi Mario: 존 레귀자모 분)는 지하에 있는 별개의 도시 디노하탄을 발견한다. 인간처럼 진화를 거듭하면서 살아오던 공룡들은 자원의 고갈과 곰팡이에 시달린 나머지 쿠파라는 자가 반란을 일으켜 인간 세계로의 침입을 준비 중이었다. 이에 결정적으로 필요한 것은 공주의 목걸이에 걸린 운석이었다. 바로 데이지가 이곳 세계에서 태어나 지상으로 와서 자란 공룡의 진화족 공주였다. 쿠파는 자신의 독재에 반대하는 자들은 반진화기에 넣어 굼바(Goomba)라는 동물로 만들어버리는 냉혹한 자였다. 한편 디노하탄에 잡혀간 마리오 형제는 끝없이 이어지는 경악스러운 현실에 놀라면서도 감옥을 탈출, 안전지대로 피한다. 데이지를 구출하기 위해 이기와 스파이크의 도움으로 마리오 형제는 마침내 데이지는 물론 아버지인 바우저 왕, 마리오 연인과 부룩클린에서 납치됐던 모든 여자들을 구출하여 부룩클린으로 돌아오는데 성공한다.