Nella Hollywood del 1947, i cartoni animati sono esseri reali e tangibili (probabilmente disegnati da qualcuno visto che Jessica dice la famosa frase "io non sono cattiva, è che mi disegnano così") che convivono con gli esseri umani, lavorando principalmente come attori negli studi cinematografici. L'investigatore privato Eddie Valiant viene ingaggiato da R.K. Maroon, proprietario degli omonimi studi di animazione, con il compito di procurarsi delle prove sull'infedeltà di Jessica Rabbit, famosa e conturbante cantante animata che lavora in un nightclub. Il marito della donna, il famoso coniglio star del cinema Roger Rabbit, sospetta difatti che la moglie lo tradisca e ciò non lo aiuta a concentrarsi nel suo lavoro di attore. Seppur controvoglia, Eddie accetta il caso, in quanto si trova in ristrettezze economiche; un tempo noto come l'investigatore privato dei cartoni animati, si rifiuta di lavorare per questi da quando un misterioso cartone uccise Teddy, suo fratello e collega, mentre i due stavano indagando su una rapina. La tragedia ha lasciato Eddie con un disgusto generale per i cartoni e, lasciando che la sua attività crollasse, ha perso il rispetto dalla maggior parte delle forze di polizia ed è diventato un alcolizzato, affetto da disturbo da stress post-traumatico e depressione, l'unica che cerca di aiutarlo è l'ex fidanzata Dolores.

Recatosi nel locale dove lavora Jessica come cantante, il detective fa la conoscenza di Marvin Acme, proprietario delle omonime industrie che fabbricano prodotti a uso dei cartoni animati e titolare della società che possiede i terreni sui quali sorge Cartoonia, la città animata dove risiedono gli attori-cartoni. Poco dopo Eddie scopre Acme e Jessica Rabbit mentre, appartati nei camerini, giocano alla farfallina, un innocuo gioco da bambini che tuttavia nel bizzarro mondo dei cartoni animati equivale a tradimento verso il proprio partner: l'investigatore li fotografa e mostra le foto a Roger, il quale rimane sconvolto, beve alcol che lo fa andare a fuoco e scappa via.

Quando la mattina seguente Eddie scopre che la notte stessa Acme è stato assassinato, tutti i sospetti cadono su Roger. Giunto sul luogo del delitto assieme a un collega, il tenente Santino, Eddie conosce lo spietato e cinico Giudice Morton, un sinistro individuo che si è comprato le elezioni per diventare giudice riempiendo di soldi Cartoonia e dintorni; questi è deciso ad occuparsi personalmente del caso, dato che Cartoonia è sotto la sua giurisdizione, e per farlo si serve della sua pattuglia speciale di faine animate. Anche se i cartoni sono immuni ai danni fisici, Morton ha scoperto un modo per ucciderli sciogliendoli nella salamoia, un composto chimico verdastro di sua invenzione ottenuto da una mistura di trementina, acetone e benzina (innocua per gli umani, tranne forse ad annusarla troppo) con il quale intende giustiziare Roger dopo che l'avrà condannato per l'omicidio di Acme.

Di ritorno al suo ufficio, Eddie incontra Baby Herman, un cartone 50enne dalle sembianze di un bebè collega di Roger, il quale è convinto dell'innocenza dell'amico e del fatto che ci sia qualcosa di losco sotto la vicenda. Egli asserisce che Acme avesse lasciato testamento, il quale prevede che Cartoonia venga lasciata in eredità ai propri cittadini animati, ma ora quel testamento è smarrito e, se non verrà trovato entro mezzanotte, Cartoonia verrà venduta. Seppur scettico da principio, il detective esamina le foto da lui stesso scattate e scopre che Herman aveva ragione; poco dopo trova Roger, nascosto in casa sua, che si dichiara innocente e lo prega di indagare sul caso per trovare il vero colpevole.

Eddie cerca di nascondere Roger dal giudice Morton e dalle faine, grazie a Dolores, confrontandosi anche direttamente con loro, e durante la fuga viene a sapere che le fotografie da lui scattate ad Acme facevano parte di un piano ordito da Maroon per ricattare l'industriale (la stessa Jessica ammette di essere stata costretta a lasciarsi fotografare da Maroon, che l'aveva messa alle strette con il possibile licenziamento del marito) e convincerlo a vendere gli studios e Cartoonia alla Cloverleaf, un gruppo di investitori che aveva già acquistato l'azienda di trasporto pubblico di Los Angeles, la Pacific Electric Railway (anche nota come “Red Car” per il colore rosso delle vetture tranviarie), avviando un piano di licenziamenti. Eddie riesce ad estorcere la confessione a Maroon, che ammette di aver messo in piedi il ricatto, lasciando perdere invece l'omicidio di Acme, ma proprio mentre questi sta rivelando chi ci sia dietro questa operazione, improvvisamente un misterioso assassino spara dalla finestra dello studio di Maroon; Eddie se ne accorge per tempo e riesce a mettersi in salvo, ma Maroon resta ucciso.

Il detective si affaccia e vede Jessica correre via dagli studi, così la insegue fino a Cartoonia e si avventura quindi nella caotica e assurda città dei cartoni. Alla fine vi trova Jessica che gli punta una pistola e spara, ma non a lui, bensì ad una figura nell'ombra, che fugge via. Jessica rivela che questi altri non è che Morton, il vero assassino che si nasconde dietro tutto, e che Acme l'aveva avvertita, di scandalo in scandalo, delle intenzioni di Morton di mettere le mani su Cartoonia, era sull'ultima scena del crimine per fermarlo. Sentendosi minacciato, Acme le aveva anche consegnato il testamento, ma Jessica, aprendo la lettera che doveva contenerlo, aveva trovato solo un foglio bianco.

I due cercano di fuggire, ma Morton riesce ad acciuffarli e a portarli all'interno della fabbrica ACME, dove spiega di essere il proprietario della Cloverleaf e, senza quel testamento, presto anche di Cartoonia, che intende radere al suolo per poter costruire una superstrada da Los Angeles a Pasadena, che i cittadini saranno costretti ad utilizzare, in quanto è suo intento smantellare l'azienda tranviaria appena acquistata. Presenta loro quindi la sua invenzione concepita per distruggere Cartoonia, un'enorme autobotte carica di 5.000 galloni di salamoia e dotata di uno spruzzatore orientabile ad alta pressione. Roger cerca eroicamente di liberare Jessica ed Eddie, ma viene anche lui catturato.

Marito e moglie vengono appesi a un gancio in attesa di essere uccisi entrambi dalla scarica di salamoia sparata dallo spruzzatore. Eddie, rimasto solo con le faine, si esibisce in un buffo balletto che le fa letteralmente morire dalle risate tutte quante tranne il capo, Smarty, che viene scaraventato nella vasca di salamoia dall'investigatore con un potente calcio all'inguine, morendo all'istante. Morton ritorna e si batte con Eddie; rimane stritolato da uno schiacciasassi, ma uscitone vivo facilmente rivela di essere egli stesso un cartone camuffato da uomo, per di più proprio colui che anni prima aveva ucciso suo fratello Teddy. Lo scontro si riapre, ma proprio mentre Morton sta per uccidere Eddie, quest'ultimo riesce ad aprire la valvola della cisterna di salamoia grazie a un oggetto animato, inondando così Morton e provocandone lo scioglimento (la prima volta indossava i guanti). Eddie manovra quindi il paranco per togliere Roger e Jessica dalla traiettoria dell'autobotte che, ormai vuota, sfonda il muro oltre il quale si trova Cartoonia, per poi essere distrutta dal passaggio di un treno, mentre con il sistema antincendio lava via la salamoia.

Nella scena finale del film, Eddie libera Roger e Jessica e, di fronte a polizia e cartoni nel frattempo giunti sulla scena, rivela a tutti che il foglio apparentemente bianco dato da Acme a Jessica (trovato per caso da Roger) altro non è che il testamento di Marvin Acme, scritto con l'inchiostro simpatico, in cui si dichiara che la proprietà di Cartoonia verrà ereditata dai cartoni stessi, i quali esultano di gioia. Inoltre viene trovata l'arma del delitto, che scagiona Roger. Avendo ritrovato il suo senso dell'umorismo, Eddie torna a Cartoonia insieme a Dolores, Roger e Jessica.

INDICE CINEMA