En 1910, la gata madre Duquesa y sus tres gatitos (Berlioz, Marie y Toulouse) viven en París con la diva de la ópera retirada Madame Adelaide Bonfamille, y su mayordomo inglés, Edgar. Los gatos son mascotas mimadas que llevan un estilo de vida lujoso, y son muy cultos en arte y música como su dueña.

Un día, mientras prepara su testamento con el abogado Georges Hautecourt, Madame declara que su inmensa fortuna se la dejará primero a sus gatos, para luego revertirla a Edgar una vez que todos hayan fallecido. Edgar escucha esto a través de un tubo parlante y, tras calcular erróneamente que morirá antes de poder heredar, planea eliminar a los gatos. Los seda poniendo somníferos en un plato de crema, y luego los lleva en su moto al campo en una cesta. Allí, dos sabuesos llamados Napoleón y Lafayette le tienden una emboscada y pierde el sombrero, el sidecar, el paraguas, los zapatos y la cesta antes de escapar. Los gatos quedan abandonados en el campo, mientras Madame Adelaida, el ratón Roquefort y el caballo Frou-Frou descubren su ausencia.

Por la mañana, Duquesa conoce a un gato callejero llamado Thomas O'Malley, que se ofrece a guiarla a ella y a los gatitos hasta París. El grupo hace autostop brevemente en un camión de leche antes de ser perseguido por el conductor. Más tarde, al cruzar un caballete de ferrocarril, los gatos evitan por poco un tren que se aproxima, y Marie cae a un río. O'Malley se zambulle inmediatamente y la rescata, y él mismo es rescatado por Amelia y Abigail Gabble, dos gansos británicos que están de vacaciones. Los gansos conducen a los gatos a las afueras de París, y luego parten para ocuparse de su ebrio tío Waldo. Mientras tanto, Edgar vuelve al campo para recuperar sus posesiones -la única prueba que puede incriminarle- de Napoleón y Lafayette y, tras algunas dificultades, finalmente lo consigue.

Viajando por los tejados de la ciudad, los gatos se encuentran con el amigo de O'Malley, Scat Cat, y sus músicos, que interpretan la canción "Ev'rybody Wants to Be a Cat". Después de que la banda se haya marchado, O'Malley y Duchess conversan en un tejado cercano mientras los gatitos escuchan en el alféizar de una ventana. La lealtad de Duchess a Madame la lleva a rechazar la propuesta de matrimonio de O'Malley. Al día siguiente, Duquesa y los gatitos regresan a la mansión de Madame. Edgar los encuentra antes que Madame y los mete en un saco, decidiendo enviarlos a Tombuctú.

Roquefort alcanza a O'Malley por instrucción de la Duquesa, y O'Malley regresa a la mansión, enviando a Roquefort a buscar a Scat Cat y su banda. Aunque le cuesta explicar la situación a los gatos del callejón, Roquefort consigue que acudan en ayuda de O'Malley. O'Malley, los gatos callejeros y Frou-Frou luchan contra Edgar, mientras Roquefort libera a Duquesa y a los gatitos. Al final de la pelea, Edgar es encerrado en su propia caja de embalaje y enviado a Tombuctú en persona, para no volver a ser visto.

Los Aristogatos regresan con Madame Adelaida, quien, ignorando la verdadera razón de la partida de Edgar, reescribe su testamento para excluirlo. Después de adoptar a O'Malley en la familia, Madame establece una fundación de caridad, alojando a los gatos callejeros de París en la mansión. Scat Cat y su pandilla son los primeros en mudarse, y repiten su canción tan fuerte que los dos perros sabuesos pueden oírla en el campo.