En una autopista desierta, un grupo de atracadores que conducen tres Honda Civics modificados asaltan un camión que transportaba productos electrónicos, roban su carga y escapan en la noche. Un grupo de trabajo conjunto del Departamento de Policía de Los Ángeles (LAPD) y el FBI envía al agente Brian O'Conner de incógnito para localizar a la banda. Comienza su investigación en el Toretto's Market y flirtea con su propietaria Mia, hermana del infame corredor callejero Dominic Toretto, mientras Dominic está sentado en la trastienda leyendo el periódico. Llega el equipo de Dominic: Vince, Leon, Jesse y Letty, la novia de Dom. Vince, que está enamorado de Mia, empieza una pelea con Brian hasta que Dominic interviene.

Esa noche, Brian lleva un Mitsubishi Eclipse modificado de 1995 a una carrera callejera ilegal, con la esperanza de encontrar una pista sobre los ladrones. Dominic llega en su Mazda RX-7 e inicia una carrera de aceleración entre él, Brian y otros dos conductores. Al carecer de credibilidad, Brian se ve obligado a apostar su coche. Dominic gana la carrera después de que el coche de Brian funcione mal, pero la policía de Los Ángeles llega antes de que Dom pueda llevarse el vehículo. Brian ayuda a Dominic a escapar en el Eclipse, pero accidentalmente se adentran en el territorio del antiguo rival de Dominic en las carreras, el líder de la banda Johnny Tran y su primo Lance Nguyen, que destruyen el Eclipse. Tras ponerse a salvo, Dominic reitera que Brian aún le debe un "coche de 10 segundos".

Brian lleva un Toyota Supra de 1994 dañado al garaje de Dominic como sustituto. Dominic y su equipo comienzan el largo proceso de restauración del vehículo, y Brian empieza a salir con Mia. También empieza a investigar a Tran, convencido de que es el cerebro de los secuestros de camiones. Mientras investiga un garaje por la noche, Brian es descubierto por Dominic y Vince. Brian les convence de que está investigando los vehículos de sus oponentes para la próxima Guerra de Carreras en el desierto. Juntos, el trío investiga el garaje de Tran, descubriendo una gran cantidad de artículos electrónicos.

Brian informa del descubrimiento a sus superiores y Tran y Lance son detenidos. Se demuestra que los aparatos electrónicos han sido comprados legalmente, y Brian se ve obligado a enfrentarse a su sospecha de que Dominic es el verdadero cerebro. Brian dispone de 36 horas para encontrar al equipo del atraco, ya que los camioneros se están armando para defenderse de los secuestros. Al día siguiente, Dominic y Brian asisten a Race Wars. Allí, Jesse apuesta el Volkswagen Jetta MK3 de su padre contra Tran en su Honda S2000, pero huye con el coche después de perder. Tran exige a Dominic que recupere el vehículo. También acusa a Dominic de denunciarlo a la policía, lo que provoca que Dominic lo ataque, lo que obliga a los guardias de seguridad a separar la pelea.

Esa noche, Brian presencia la partida de Dominic y su tripulación y se da cuenta de que son los secuestradores. Le revela su verdadera identidad a Mia y la convence para que le ayude a encontrar a la banda. Dominic, Letty, Vince y Leon atacan un camión semirremolque con la intención de que sea su atraco final. El conductor armado dispara a Vince y saca a Letty de la carretera. Brian llega con Mia y rescata a Vince. Se ve obligado a revelar su identidad para llamar a los servicios médicos de urgencia y salvar a Vince. Dominic, Mia y el resto del equipo se marchan antes de que lleguen las autoridades.

Tiempo después, Brian llega a la casa de Dominic para detenerlo mientras Dominic saca del garaje el Dodge Charger R/T de 1970 de su padre. Le exige a Brian que se marche, ya que no está huyendo, sino que va a rescatar a Jesse, que no tiene a nadie más que cuide de él. Jesse llega de repente a la casa y pide protección. Tran y Lance realizan un tiroteo en motocicletas y matan a Jesse. Brian y Dominic los persiguen en vehículos separados, encuentran y matan a Tran e hieren a Lance. Brian persigue a Dominic y ambos acaban aceptando una carrera de aceleración de 400 metros. La pareja apenas cruza una vía de ferrocarril antes de que pase un tren, lo que pone fin a la carrera en un empate, pero Dominic estrella su coche contra un camión. En lugar de arrestarlo, Brian le da a Dominic las llaves de su propio coche, afirmando que todavía le debe un coche de 10 segundos de su primera carrera. Dominic se marcha en el Supra mientras Brian se aleja.

En la escena post-créditos, Dominic es visto conduciendo por Baja California, México, en un Chevrolet Chevelle SS de 1970.