今作ではコース次第で空中あるいは水中でカート操作が可能となった。空中ではハンググライダーのように滑空できるパーツを展開し、水中では後方にスクリュープロペラのパーツを取り付けて走行するなど、ニンテンドー3DSの立体視を楽しめる工夫がなされている。従来のシリーズでは水中に落ちると基本的にはコースアウト扱いだったが、今回は直接水中に潜って走行することができる初のマリオカートとなる。また、新規コース「ウーフーアイランド（1・2）」と「レインボーロード」はひとつの長大なコースを3つのセクションに区切ってそれぞれをラップとしてラップタイムを測るコースとなっており、コース自体は1周でクリアとなる。また、『マリオカートアドバンス』以来「コイン」の概念が復活し、前作『マリオカートWii』から「ジャンプアクション」が引き継がれ、また、コンピューターによるキャラもショートカットをするようになった。このほかカートの「フレーム」「タイヤ」「グライダー」の3種類を組み合わせてマシンのカスタマイズができたり、主観視点に切り替えて『マリオカートWii』のように本体を傾けて操作ができる「ドライバー視点モード」など、新システムが多数搭載されている。前作のバイクは廃止された。また、インターネット通信による国内や海外のプレイヤーとの最大8人対戦が行えるほか、様々な通信要素の拡充がされている。