Speed Racer es un joven cuya vida y amor siempre han sido las carreras de automóviles. Sus padres, Pops y Mom, dirigen la empresa independiente Racer Motors, en la que también participan su hermano Spritle y su chimpancé mascota Chim Chim, su mecánico Sparky y su novia Trixie. De niño, Speed idolatraba a su hermano mayor, Rex Racer, que batió récords y al parecer murió mientras corría en la Casa Cristo 5000, una mortal carrera de rally a campo traviesa. Ahora, embarcado en su propia carrera, Speed arrasa rápidamente en el mundo de las carreras con su habilidad al volante del Mach 5 de su hermano y de su propio coche T-180, el Mach 6, aunque lo que más le interesa es el arte de la carrera y el bienestar de su familia.

Un día, E.P. Arnold Royalton, director general del conglomerado Royalton Industries, ofrece a Speed un estilo de vida asombrosamente lujoso a cambio de que firme para correr con él. Aunque tentado, Speed declina la oferta por la desconfianza de su padre hacia las corporaciones ávidas de poder. Enfadado, Royalton revela que, durante muchos años, las carreras clave han sido amañadas por intereses corporativos, incluido él mismo, para obtener beneficios. Royalton descarga su ira contra Speed haciendo que sus pilotos obliguen a Speed a estrellarse, destruyendo el Mach 6, y demandando a Racer Motors por violación de la propiedad intelectual. Speed tiene la oportunidad de vengarse a través del Inspector Detector, jefe de la división de crímenes corporativos de una agencia de inteligencia. El corredor Taejo Togokahn supuestamente tiene pruebas que podrían acusar a Royalton, pero sólo las ofrecerá si Speed y el notorio corredor enmascarado X aceptan correr en su equipo en la próxima Casa Cristo 5000, lo que también podría aumentar sustancialmente el precio de las acciones de la empresa de carreras de su familia, bloqueando una compra arreglada por Royalton. Speed acepta pero mantiene su decisión en secreto ante su familia, y el equipo de Detector realiza varias modificaciones defensivas en el Mach 5 para ayudar a Speed en la carrera.

Después de conducir juntos y trabajar de forma natural como un equipo, Speed empieza a sospechar que Racer X es en realidad Rex disfrazado. Su familia descubre que se ha inscrito en la carrera y acepta apoyarle, aunque Pops se enfada con él por no haberle pedido permiso para correr antes. Con la ayuda de su familia y de Trixie, Speed derrota a muchos corredores brutales, que fueron sobornados por Cruncher Block para detenerlo, y supera obstáculos aparentemente insuperables para ganar la carrera, mientras el equipo de Detector arresta a Block. Sin embargo, el arreglo de Taejo se revela como una farsa, ya que sólo estaba interesado en aumentar el valor de la empresa de su familia para beneficiarse de la compra de Royalton. Enfurecido, Speed acude a la pista que solía conducir con su hermano y se enfrenta a Racer X con su sospecha de que él es Rex. Racer X se quita la máscara, revelando una cara desconocida, y le dice a Speed que Rex está efectivamente muerto, pero le aconseja a Speed que no deje que las carreras cambien su forma de ser y que descubra su propia forma de conducir. Speed vuelve a casa y planea marcharse, pero Pops expresa su orgullo por las acciones de Speed, y que se equivocó al no dejar que Speed entrara en la carrera ya que su propia terquedad alejó a Rex, antes de descubrir la conspiración para amañar la carrera. Horuko, la hermana de Taejo, llega inesperadamente y le entrega la invitación automática rechazada por Taejo para el próximo Gran Premio. La familia Racer se une y construye un nuevo Mach 6 en 32 horas.

Speed participa en el Gran Premio con la ayuda del inspector Detector contra todo pronóstico; Royalton ha puesto una recompensa de 1.000.000 de dólares por su cabeza que los demás pilotos están ansiosos por cobrar, y se enfrenta al futuro piloto del Salón de la Fama Jack "Cannonball" Taylor. Speed supera una lenta salida para alcanzar a Taylor, que utiliza un dispositivo tramposo llamado spearhook para enganchar el Mach 6 a su propio coche. Speed utiliza sus saltos para exponer el dispositivo a las cámaras de vídeo, provocando el accidente de Taylor. Speed gana la carrera, habiendo expuesto con éxito los crímenes de Royalton. Mientras Racer X observa, un montaje retrospectivo revela que realmente es Rex, que ha fingido su muerte y se ha sometido a cirugía plástica para cambiar su apariencia como parte de su plan para proteger a Speed y al deporte de las carreras. Decide no revelar su identidad a su familia, declarando que debe vivir con su decisión. La familia Racer celebra la victoria de Speed mientras éste y Trixie se besan, Taejo testifica contra Royalton y Block, y Royalton es enviado a la cárcel.