A Hollywood, en 1947, les personnages de dessins animés, ont leur propre ville, Toon Town. Roger Rabbit, un lapin vedette, soupçonne sa femme, la pulpeuse Jessica, de le tromper. Pour le faire revenir dans le droit chemin, le producteur R.K. Maroon décide de prouver l'infidélité de Jessica. Il engage Eddie Valiant, un détective privé humain et alcoolique, qui voue une haine féroce aux Toons.

L'amitié d'un voleur débrouillard et d'un cordonnier désargenté...