En 1975, dos detectives de la policía de Bay City, el machista David Starsky (que adora su Ford Torino y persigue temerariamente a los delincuentes menores) y el despreocupado Ken "Hutch" Hutchinson (que suele trabajar junto a los delincuentes para investigar su actividad) se ven obligados a convertirse en compañeros como castigo por sus recientes travesuras. Mientras tanto, el capo judío-estadounidense de la droga Reese Feldman y su mano derecha Kevin Jutsum desarrollan un nuevo tipo de cocaína que es imposible de rastrear por su olor y sabor. Cuando uno de sus traficantes estropea una operación, Feldman lo mata.

El cuerpo aparece en la orilla unos días después, y Starsky y Hutch investigan la escena. Una pista les lleva hasta Feldman, que niega tener conocimiento del crimen, pero su mujer menciona que el traficante había estado saliendo con una animadora. Tras conocer a las animadoras Stacey y Holly, los detectives reciben una chaqueta de la animadora Heather. Su informante callejero Huggy Bear dirige a la pareja al bar de motos Big Earl's. Disfrazados de "Capitán América" y "Billy" de Easy Rider, Starsky y Hutch se enteran de que Big Earl está en la cárcel, donde le interrogan sobre su conexión con los negocios ilícitos de Feldman; Big Earl obliga a los detectives a realizar actos humillantes a cambio de información y de un paquete de lo que ellos creen que es cocaína. Sin embargo, el capitán Doby, enfadado por su salvaje interrogatorio, descarta que el paquete no sea más que un edulcorante artificial y los aparta del caso.

El dúo invita a Stacey y a Holly a la casa de Starsky, donde éste pone el "edulcorante" en su café mientras Hutch canta "Don't Give Up on Us". Los cuatro visitan una discoteca donde Starsky, sufriendo los efectos de lo que resulta ser la cocaína modificada de Feldman, pierde un concurso de baile. Hutch lo lleva a casa y lo acuesta, y luego procede a hacer un trío con Stacey y Holly.

A continuación, el dúo es asaltado por un traficante asiático y su hijo, que trabaja para Feldman, y que empuña un cuchillo. Tras un interrogatorio, deducen que Feldman almacena la droga en su garaje. Al enfrentarse a Feldman, Starsky dispara a la cerradura de la puerta del garaje, matando inadvertidamente a un poni que había sido un regalo para su hija. Feldman los exonera, pensando que la operación fallida le quitará presión, pero Doby suspende indefinidamente a ambos detectives, y aunque Starsky defiende a Hutch, Doby revela una queja que Starsky presentó contra Hutch semanas atrás. Starsky intenta dar explicaciones a Hutch, pero una discusión provoca la ruptura de su amistad.

Una bomba destinada a Hutch hiere a su joven vecino Willis. Al visitarlo en el hospital, Starsky y Hutch se reconcilian y deciden cerrar el negocio de drogas de Feldman. Con la ayuda de Huggy Bear, que sirve a regañadientes como caddie de golf de Feldman, se enteran de que éste planea vender las drogas en un baile benéfico escondiéndolas en Volkswagen Karmann Ghias para regalarlas a otros traficantes.

El dúo entra en la fiesta disfrazado con Stacey y Holly como sus acompañantes. Deduciendo el plan de Feldman, abren a tiros el maletero de un VW, revelando el gran alijo de cocaína. Feldman toma como rehén a Hutch y Starsky, al intentar rescatarlo, dispara accidentalmente al capitán Doby en el hombro, aunque Hutch declara que Reese fue el responsable. En la confusión, Feldman y su novia Kitty escapan con el dinero del trato de la cocaína, llevando a Starsky y Hutch a una persecución en coche a través de un campo de golf.

Mientras Feldman y Kitty se marchan en su yate, Starsky y Hutch intentan sacar el Torino de Starsky de un muelle en su persecución, pero salta muy lejos y aterriza en el mar. Los dos consiguen escapar a un lugar seguro. Mientras tanto, Huggy, escondido a bordo, noquea a Feldman con un palo de golf que éste le había acusado de perder, y se lleva uno de los maletines de dinero de Feldman para él.

Celebrando la captura de Feldman, Jutsum y Kitty, Starsky lamenta la pérdida de su coche. Huggy le sorprende con otro Gran Torino (comprado al dúo original de Starsky y Hutch, David Soul y Paul Michael Glaser). Los dos socios se lanzan a otro caso en su nuevo coche.