Die 3DS-Version von Mario & Sonic bei den Olympischen Spielen London 2012 weist einige wesentliche Unterschiede zur Wii-Version auf. Während sie viele Events teilt, hat sie mehr. Sie verfügt auch über einen exklusiven Story-Modus. Die Protagonisten aus den Mario- und Sonic-Serien schließen sich zusammen, um Bowser und Dr. Eggman zu besiegen, die gemeinsam mit ihren Schergen London übernommen haben. Es gibt verschiedene Teile der Geschichte, abhängig vom gespielten Charakter. Der Spieler muss Events gegen die Antagonisten gewinnen. Die spielbaren Charaktere bestehen aus allen 20 spielbaren Charakteren aus der Nintendo DS-Version des vorherigen Spiels und sind in fünf Gruppen zu je vier aufgeteilt.
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