Remy, una joven rata con un perfecto sentido del gusto y del olfato, sueña con convertirse en chef como su ídolo, el difunto Auguste Gusteau. Sin embargo, al resto de su colonia, incluidos su hermano Émile y su padre, el jefe del clan Django, sólo les interesa la comida para subsistir. Las ratas viven en el ático de la casa de una anciana. Un día, mientras revuelven la casa en busca de ingredientes, Remy y Émile revelan accidentalmente la colonia a la mujer. Las ratas se ven obligadas a huir y Remy se separa de las demás. Se va por el desagüe y, animado por un Gusteau imaginario, acaba encontrándose encima de la cocina del restaurante Gusteau de París.

Cuando Remy se da cuenta de que el basurero del restaurante, Alfredo Linguini, intenta arreglar una sopa que él mismo ha estropeado, se lanza a arreglar los errores de Linguini. Linguini pilla a Remy en el acto, pero no se lo revela a Skinner, antiguo sous-chef de Gusteau y nuevo propietario del restaurante. Skinner se enfrenta a Linguini por manipular la sopa, pero cuando la sopa se sirve accidentalmente y resulta ser un éxito, Colette Tatou, la única mujer chef del restaurante, convence a Skinner de que mantenga a Linguini para mantener el lema de Gusteau, "Cualquiera puede cocinar". Sin embargo, Skinner exige a Linguini que reproduzca la sopa para mantener su trabajo. Skinner descubre a Remy tratando de escapar y ordena a Linguini que lo lleve afuera y lo mate. Una vez que se quedan solos, Linguini descubre que Remy puede entenderle y le convence para que le ayude a cocinar en Gusteau's.

Los dos aprenden que Remy puede guiar los movimientos de Linguini como si fuera una marioneta tirando de su pelo mientras se esconde bajo su tocado. Juntos son capaces de reproducir la sopa y seguir cocinando en Gusteau's. Colette comienza a entrenar a Linguini en la cocina, a regañadientes al principio, pero llega a apreciar que alguien haga caso de sus consejos profesionales. Remy se reencuentra con Émile y el clan, pero mientras Django intenta convencer a Remy de que es imposible cambiar la naturaleza despectiva de los humanos hacia las ratas, Remy afirma que "el cambio es la naturaleza".

Skinner se entera, a través de una carta de la difunta madre de Linguini, de que éste es el hijo ilegítimo de Gusteau y el legítimo propietario del restaurante. Cuando Remy descubre la carta en el despacho de Skinner, éste persigue a Remy por todo París para recuperarla, pero Remy se la da a Linguini, que obliga a Skinner a marcharse. El restaurante prospera a medida que las recetas de Remy se hacen populares; la vida de Linguini mejora y desarrolla una relación romántica con Colette.

Mientras tanto, Anton Ego, un crítico gastronómico cuya reseña negativa del restaurante provocó indirectamente la muerte de Gusteau, se entera de su creciente éxito y anuncia que cenará en el restaurante. Después de que Linguini se atribuya el mérito de la cocina de Remy, éste y él tienen una discusión. Presionado por Émile y por su propia frustración, Remy se apresura a dirigir a su clan para asaltar las despensas del restaurante en busca de comida. Linguini llega a mitad del asalto para disculparse, pero al descubrirlo, expulsa con furia a todas las ratas, incluido Remy.

Al día siguiente, Remy es capturado por Skinner, pero es liberado rápidamente por Django y Émile. Linguini se reconcilia con Remy y revela la verdad a su personal, que se marcha, sintiéndose engañado y traicionado. Sin embargo, tras recordar el lema de Gusteau, Colette vuelve para ayudar. Impresionados por la determinación de Remy, Django y el clan se ofrecen a ayudar, cocinando bajo la dirección de Remy mientras Linguini atiende las mesas. Cuando Skinner y un inspector de sanidad intentan interferir, son atados y amordazados. Remy crea una variación de pisto que recuerda a Ego la cocina de su madre. Asombrado por el plato, Ego pide conocer al chef, pero le dicen que debe esperar a que el restaurante esté vacío. Cuando le presentan a Remy, Ego se queda perplejo. Sin embargo, escribe una crítica elogiosa en la que afirma que ha llegado a comprender el lema de Gusteau, y describe a Remy -sin revelar que es una rata- como "nada menos que el mejor chef de Francia".

Finalmente, Skinner y el inspector de sanidad son liberados, y el restaurante es cerrado, despojando a Ego de su trabajo y su credibilidad. Sin embargo, Remy, Linguini y Colette abren un bistró, La Ratatouille, para continuar el legado de Gusteau, en el que Ego invierte y visita con frecuencia. La colonia de ratas se instala en el ático del bistró como su nuevo hogar.