En esta película conviven personajes animados (llamados "Toons") y humanos de carne y hueso. Roger Rabbit (con la voz de Charles Fleischer) es un exitoso actor de dibujos animados junto a su coprotagonista, Baby Herman (con la voz de Lou Hirsch). Sin embargo, Roger está un poco decaído últimamente. El director del estudio, R.K. Maroon (Alan Tilvern), contrata al detective Eddie Valiant (Bob Hoskins) para que siga el rastro de la esposa de Roger, Jessica Rabbit (a la que pone voz Kathleen Turner). Maroon cree que la actuación de Roger se ve inhibida por problemas matrimoniales y que si Eddie consigue pruebas de que Jessica le es infiel, Roger romperá con ella y se dedicará de nuevo a su oficio. Eddie es reacio a aceptar el trabajo ya que su hermano fue asesinado por un Toon. Pero como está básicamente arruinado, Eddie acepta el trabajo.

Eddie se infiltra en un bar Toon (con un gran momento entre el Pato Donald y el Pato Lucas, y también una aparición de Betty Boop) y localiza a Jessica. Toma fotos de Jessica (que es un Toon) en una situación comprometida con un humano llamado Marvin Acme (Stubby Kaye). Acme es fabulosamente rico y posee una propiedad llamada Toon-Town donde viven todos los Toons. Cuando Eddie y Maroon enseñan las fotos a Roger, éste sufre una crisis nerviosa y sale furioso del despacho de Maroon. Esa noche, Eddie bebe hasta perder el conocimiento. Cuando se despierta, se entera de que Acme ha sido asesinado por un Toon y que Roger es el principal sospechoso.

Mientras habla con la policía en la escena del crimen, Eddie conoce a un ambicioso hombre llamado Judge Doom (Christopher Lloyd). Doom ha desarrollado una sustancia líquida llamada "dip" que puede matar a los personajes de los dibujos animados, una hazaña que antes se consideraba imposible. Su intención es encontrar a Roger y ejecutarlo. Eddie se sorprende cuando regresa a su oficina y encuentra a Roger escondido allí, proclamando su inocencia. Finalmente, Eddie decide ayudar a Roger a regañadientes y esconde el conejo en el bar de su novia Dolores (Joanna Cassidy).

Eddie acaba sospechando que Maroon es el verdadero culpable. Se enfrenta a Maroon, que admite que forma parte de un plan mayor pero que no sabía que Acme sería asesinado. Antes de que Maroon pueda decir con quién estaba trabajando, es asesinado a tiros. Cuando Eddie corre hacia la ventana, ve a Jessica Rabbit huyendo junto con Roger. Eddie los persigue hasta Toon-Town. Allí se encuentra con Bugs Bunny y Mickey Mouse. Eddie casi es asesinado por un toon malvado cuando es salvado por .... Jessica Rabbit. Ella le explica que está en el lugar para coger a Roger (al que quiere de verdad) y ponerlo a salvo (y que sólo parecía culpable por las circunstancias).

De repente, Jessica y Eddie son emboscados por los matones del Juez Doom. Roger sigue a la pareja e intenta sin éxito rescatarlos, haciéndose capturar en su lugar. Doom explica que ha estado comprando todos los terrenos de la zona para venderlos con un gran beneficio y poder construir una autopista (y que estaba trabajando con Maroon en el plan). Luego construirá negocios junto a la autopista para ganar aún más dinero. Lo único que se interpone en su camino es Toon-Town, que es el terreno por el que pasará la autopista. Después de que Acme se negara a vender Toon-Town, Doom mandó matar a Acme e inculpó a Roger (Doom también mató a Maroon). Doom revela entonces una gigantesca máquina de inmersión que planea utilizar para borrar Toon-Town de la existencia.

Roger y Jessica son atados mientras Eddie se enfrenta y derrota a los matones de Doom. Doom revela entonces que él mismo es un Toon en secreto. No sólo eso, sino que es el Toon que mató al hermano de Eddie. Doom tiene la ventaja, pero Eddie le engaña para que rompa el contenedor que contiene la salsa. Doom se derrite dolorosamente mientras Eddie libera a Roger y a Jessica. Los otros Toons llegan y nos enteramos de que Acme tenía un testamento que Roger utilizó para escribir una nota de amor a Jessica. El testamento deja Toon-Town a los Toons para siempre, asegurándose de que su hogar estará siempre a salvo. Eddie abraza a Dolores mientras los Toons cantan una canción feliz. Porky Pig ("Eso es todo, amigos") y Campanilla (con un movimiento de su varita) ponen fin a la película.