Nintendo Entertainment Analysis and Development, qui a aussi développé la version originale du jeu, le dévoile à l'E3 2004 en tant que démonstration multijoueur nommée Super Mario 64 ×4. En plus de graphismes améliorés, le remake propose des nouveaux personnages, un mode multijoueurs et des mini-jeux indépendants de l'aventure principale. Comme celle du premier opus, l'histoire se base sur le sauvetage de la Princesse Peach des griffes de Bowser. L'histoire a été un peu modifiée avec l'apparition des nouveaux personnages. Yoshi est le premier protagoniste de cet opus, et Mario, Luigi et Wario sont des personnages à débloquer.
Globalement, Super Mario 64 DS est un succès critique et commercial. Il gagne des prix et reçoit des critiques positives des médias vidéoludiques, basées sur l'aventure principale. Cependant, le mode multijoueur et l'absence des commandes analogiques sont critiqués. Il s'écoule à plus de 11,06 millions d'exemplaires à travers le monde en , se plaçant à la dixième place des jeux Nintendo DS les plus vendus de l'histoire.