El ladrón de coches Kip Raines trabaja con su banda para robar cincuenta coches de alta gama para Raymond Calitri, un gángster británico de Long Beach, California. Después de robar un Porsche 996 de una sala de exposiciones, Kip conduce involuntariamente a la policía hasta el almacén de su banda, obligando a los ladrones a huir. Los detectives Castlebeck y Drycoff incautan los coches robados y abren una investigación. Atley Jackson, socio de Calitri, se pone en contacto con el hermano mayor de Kip, Randall "Memphis" Raines, un ladrón de coches notorio pero reformado. Memphis se reúne con Calitri, que ha secuestrado a Kip y pretende matarlo en una trituradora de coches. Memphis accede a robar los cincuenta coches en un plazo de 72 horas y Kip es liberado; Calitri le advierte que si los coches no son entregados a tiempo, Kip será asesinado.

Memphis visita a su mentor Otto Halliwell y reúnen a un grupo de antiguos socios: Donny Astricky, ahora instructor de conducción; Sphinx, un funerario mudo; y Sara "Sway" Wayland, mecánica y camarera. Kip y su equipo se ofrecen como voluntarios para ayudar, y el grupo rastrea los coches, dando a cada uno un nombre en clave; Memphis insiste en guardar un Ford Shelby GT500 de 1967, apodado "Eleanor" -que ya ha intentado robar antes- para el final. Mientras exploran los coches, él y Kip evitan por poco ser asesinados por una banda rival. Con la esperanza de entregar los coches antes de que puedan ser rastreados, el equipo planea robar los cincuenta coches en una noche.

Castlebeck y Drycoff se enteran de que Kip ha sobornado a un empleado de un concesionario de Mercedes para que encargue unas llaves transponedoras cortadas con láser, lo que permite a los detectives vigilar los coches Mercedes de la lista de la banda. Un miembro de la banda de Kip roba impulsivamente un Cadillac Eldorado que no está en la lista, y la banda descubre un alijo de heroína en el maletero. Castlebeck llega y obliga al equipo a distraerlo mientras se deshacen de la droga. Se marcha, tras comprobar que el atraco se llevará a cabo esa noche.

La tripulación pone en marcha su atraco, robando los distintos coches y entregándolos a Atley en los muelles. Mientras se preparan para utilizar las llaves transpondedoras para robar los coches Mercedes, Memphis descubre a Castlebeck y Drycoff observando desde una furgoneta de vigilancia. Abandonando los coches bajo vigilancia, el equipo irrumpe en el aparcamiento de la policía, distrayendo al guardia y robando los coches Mercedes originalmente robados por el equipo de Kip; el plan se ve obstaculizado temporalmente cuando el perro de Otto se come, y finalmente pasa, las llaves. Memphis y Sway reavivan su pasado romance mientras roban un Lamborghini Diablo. Castlebeck y Drycoff regresan al almacén confiscado a la banda de Kip. Tras encontrar trozos de una lámpara de luz negra rota, los detectives descubren la lista de cincuenta coches de la banda escrita con pintura sensible a los rayos ultravioleta. Con demasiados coches que rastrear, Castleback se centra en el Shelby GT500, sabiendo que Memphis lo robará en último lugar, y determina la ubicación del único Shelby de 1967 en la zona. Cuando la banda roba un Cadillac Escalade, se alerta a la seguridad y un miembro de la banda de Kip resulta herido. Memphis roba el Eleanor justo cuando llegan los detectives, y conduce a la policía en una persecución a través de la ciudad y hacia un astillero. Al llegar al puente Vincent Thomas, bloqueado por un accidente, Memphis salta a Eleanor desde la rampa de una grúa y aterriza en el otro lado, evadiendo a la policía.

Memphis llega al desguace de Calitri con doce minutos de retraso, y Calitri se niega a aceptar el Shelby ligeramente dañado, ordenando a sus hombres que aplasten el coche y maten a Memphis. Kip y Atley utilizan la grúa del desguace para derribar a los secuaces, y un Calitri armado persigue a Memphis hasta el almacén mientras llegan los detectives. Calitri se prepara para disparar a Castlebeck, pero Memphis le da una patada a Calitri por encima de una barandilla y lo mata. Un agradecido Castlebeck deja libre a Memphis, y éste le dice dónde encontrar el barco contenedor lleno de coches robados.

La tripulación lo celebra con una barbacoa, y Kip revela que ha comprado a Memphis un Shelby GT500 de 1967 en mal estado al que Memphis también llama "Eleanor". Otto promete restaurar el coche, y Memphis invita a Sway a dar una vuelta, pero el coche se avería justo cuando se alejan.