Het is 1947 in Hollywood en de door pech geteisterde detective Eddie Valiant wordt ingehuurd om te bewijzen dat er nogal wat gaande is tussen Marvin Acme, de bedrieglijke fabrieksmagnaat en eigenaar van Toontown, en femme fatale Jessica Rabbit, de vrouw van de Maroon Cartoon-superster Roger Rabbit. Maar alle vingers wijzen naar Roger wanneer Acme vermoord wordt aangetroffen. De sinistere, machtswellustige Judge Doom is op een missie om Roger veroordeeld te krijgen. Roger smeekt de Toon-hatende detective Eddie Valiant om de echte boosdoener te vinden. Naarmate Eddie het ene na het andere schandaal ontdekt begint hij te beseffen dat het bestaan van Toontown op het spel staat.