Memasuki era 16-bit, Super Nintendo Entertainment System (SNES) dirilis pada 21 November 1990 di Jepang, dan Super Mario World menjadi salah satu launch title SNES. Untuk pertama kalinya karakter Yoshi, si dinosaurus hijau lucu yang berlidah panjang dan bisa menelan musuh atau memuntahkannya, diperkenalkan di serial Mario. Mario bisa menaiki punggung Yoshi, terbang dengan jubah seperti Superman, atau bahkan melayang dengan balon di Super Mario World.
Super Mario Land 2: 6 Golden Coins kemudian dirilis pada tahun 1992 untuk Nintendo Game Boy. Tokoh Wario, musuh bebuyutan Mario, diperkenalkan di game ini, dan dia mengambil alih istana Mario selama peristiwa di Super Mario Land dan memaksa Mario untuk mengumpulkan enam koin emas untuk masuk kembali dan mengklaim kembali istananya. Di game ini ada power-up baru, yaitu wortel, yang memungkinkan Mario tumbuh telinga kelinci yang dapat membuatnya melayang saat jatuh.
Mengakhiri era 2D, Super Mario World 2: Yoshi's Island menjadi game Mario terakhir yang dirilis di SNES. Game ini mengambil latar waktu saat Mario dan Luigi masih bayi. Ketika Luigi diculik oleh Kamek, Yoshi harus menggendong Mario melalui enam dunia dan 48 level.
Tahun pun kian berganti, dan setelah era gaming bertransisi dari 2D ke 3D, serial Mario merambah platform N64. Grafiknya dua kali lebih canggih daripada konsol-konsol seperti SNES, Sega Saturn, dan Sony PlayStation, dan Super Mario 64 menjadi game Mario pertama yang 3D. Pak Miyamoto telah menyusun desain 3D Mario selama mengembangkan game Star Fox untuk SNES pada 1993, yang akan digunakan untuk Super Mario 64. Di game ini, Mario kembali harus menyelamatkan Peach dari tangan Bowser. Musuh-musuh yang ada pun lebih beragam dari Goomba, Koopa, Piranha Plant, dan Blooper; ada Bob-omb, Whomp, dll. Game ini menjadi game Mario pertama di mana Charles Martinet mengisi suara Mario.
Super Mario Sunshine adalah game Mario kedua yang 3D. Di game ini, Mario dan Peach bepergian ke Isle Delfino untuk liburan ketika Shadow Mario, tiruan Mario, muncul dan memvandalisasi seluruh pulau. Mario harus membersihkan pulau tersebut dengan alat sejenis jetpack yang disebut FLUDD. Tokoh Bowser Jr., anak bungsu Bowser, diperkenalkan di game ini. Super Mario Sunshine dirilis untuk Nintendo GameCube.
Pada tahun 2006, 11 tahun setelah tidak merilis game 2D original, New Super Mario Bros dirilis untuk Nintendo DS. Di game ini, Mario dan Luigi menyelamatkan Princess Peach dari Bowser Jr. Gameplay-nya 2D, namun sebagian besar karakter dan objeknya 3D di atas latar belakang 2D, sehingga membuatnya game 2,5D. Power-up klasik seperti Super Mushroom, Fire Flower, dan Super Star kembali, namun muncul power-up baru, yaitu Mega Mushroom, Mini Mushroom, dan Blue Shell.
Pak Miyamoto menjelaskan bahwa ketika beliau sedang mengembangkan Super Mario 64 dengan Pak Yoshiaki Koizumi, mereka sadar bahwa titel game ini akan diarahkan kepada si "core gamer" daripada si gamer "pick-up-and-go" kasual. Maka setelah Super Mario Sunshine dirilis, mereka lebih berfokus pada game yang lebih terjangkau dan kasual, yang melatarbelakangi pengembangan Super Mario Galaxy untuk Nintendo Wii pada tahun 2007. Berlatar tempat luar angkasa, Mario dan Luigi berkelana di antara galaksi untuk mengumpulkan Power Stars. Mario dan Luigi bisa berjalan menyamping atau terjungkir balik di game ini.
Masih di Nintendo Wii, New Super Mario Bros Wii yang dirilis pada tahun 2009 menampilkan mode 4-player co-op dan tiga power-up baru: Propeller Mushroom, Ice Flower, dan Penguin Suit. Semua karakter bisa naik Yoshi.
Setahun kemudian, masih di Nintendo Wii, Super Mario Galaxy 2 dirilis, tepat dua hari sebelum semi-final pertama Eurovision Song Contest 2010 di Oslo, Norwegia. Premis game ini sama dengan Super Mario Galaxy pertama.
Ketika Nintendo 3DS dirilis, semua bersukacita, karena fitur yang disuguhkan oleh platform handheld ini lebih canggih daripada Nintendo DS, yaitu dilengkapi teknologi 3D yang membuat gambar di layar seakan nyata tanpa harus mengenakan kacamata khusus. Super Mario 3D Land dirilis pada bulan November dan Desember 2011 untuk 3DS, dan merupakan game Mario 3D original pertama dalam konsol handheld.
Pada tahun 2012, dua game Mario dirilis untuk platform Nintendo berbeda. Pertama yaitu New Super Mario Bros 2 untuk Nintendo 3DS, di mana sekali lagi, Mario dan Luigi harus menyelamatkan Princess Peach dari cengkeraman Bowser dan anak-anaknya, dan berusaha mengumpulkan 1 juta koin.
