Sega i Nintendo oficjalnie zapowiedziały Mario & Sonic we wspólnym komunikacie prasowym 28 marca 2007 roku, a pierwszy pokaz gry odbył się na targach E3 2007. Obie firmy współpracowały także przy produkcji. Grę tworzył głównie dział japońskiego oddziału Segi pod nadzorem Shigeru Miyamoto, starszego producenta gry. Producentami byli Osamu Ohashi z Segi i Hiroshi Sato z Nintendo, reżyserem – Eigo Kasahara z Segi, a muzykę skomponował Teruhiko Nakagawa. W produkcji Mario & Sonic pomagało studio Racjin oraz, według serwisu IGN, TOSE – producent znany z tego, że nie umieszcza swojej nazwy w napisach gier, przy których pracuje. Gra ma oficjalną licencję MKOl, udzieloną za pośrednictwem wyłącznego licencjobiorcy ISM, i jest pierwszą oficjalną grą Letnich Igrzysk Olimpijskich 2008. Prezes Sega Europe powiedział, że początkowo planowano szereg konkurencji, w tym judo, aby jak najpełniej oddać charakter igrzysk. W ostatecznej wersji liczbę konkurencji jednak zmniejszono, a judo pominięto. Prace przebiegły szybciej, niż planowano. W październiku 2007 roku Sega ogłosiła, że przyspieszyła o dwa tygodnie premierę Mario & Sonic at the Olympic Games na Wii, a gra osiągnęła status „gold”.