Dans Mario Kart Wii, les joueurs choisissent un personnage parmi une liste de 24 personnages et de 36 voitures. Les voitures sont classées en trois catégories de poids différentes. Le poids d'un personnage détermine les types de karts et de motos disponibles, ainsi que leurs performances sur les circuits. Chaque voiture a sept paramètres différents pour ses caractéristiques : vitesse, poids, accélération, maniabilité, dérive, tout-terrain et mini-turbo. Mario Kart Wii compte 32 pistes différentes, dont 16 nouvelles pistes, quatre pistes de Mario Kart 64, Mario Kart : Double Dash !! et Mario Kart DS, et deux de Super Mario Kart et Mario Kart : Super Circuit. De plus, jusqu'à douze personnages peuvent jouer dans une course. Les joueurs obtiennent des objets en conduisant à travers des boîtes d'objets, qui peuvent être utilisés pour la défense, l'attaque ou pour alimenter le moteur. De nouveaux objets issus des jeux de plateforme de Mario sont présentés, comme le "Méga Champignon" de New Super Mario Bros. Il permet au personnage de devenir très grand et d'aplatir les autres joueurs. Le "POW BLOCK" de Mario Bros. permet au personnage d'envoyer une onde de choc à tous les joueurs qui se trouvent devant lui, ce qui les rend incontrôlables et leur fait lâcher les objets qu'ils portent (il n'y a cependant aucun effet sur ceux qui sont en l'air). Un nouvel objet de la série est le "nuage de foudre", qui augmente brièvement la vitesse de pointe de l'utilisateur, mais qui le réduit si elle n'est pas transmise à un adversaire en le percutant.
Mario Kart Wii compte 24 personnages Nintendo sélectionnables, plus que tous les autres jeux Mario. En plus de cela, il existe 12 sortes différentes (3 catégories de poids, 2 sexes, 2 tenues) de Mii, l'avatar numérique réalisé par Nintendo. Douze personnages sont disponibles dès le début ; les douze autres et les deux variantes du Mii deviennent disponibles après avoir terminé certains éléments du jeu. La distribution des personnages comprend 19 personnages de la série et six nouveaux personnages : Baby Peach, Funky Kong, les Mii créés par les utilisateurs, Rosalina, Dry Bowser et Baby Daisy. Il y a huit personnages de chaque catégorie de poids. La classe de poids du Mii dépend de sa taille et de son poids (ceci peut être personnalisé dans la chaîne Mii), et sa couleur préférée change le schéma de couleur de ses vêtements, tandis que le sexe change le schéma de couleur de ses voitures.