Le détective Eddie Valiant est engagé pour surveiller Jessica, vamp ondulante et callipyge, épouse volage de la vedette du cartoon, le lapin Roger Rabbit, que ses doutes empêchent de se concentrer sur son travail. Eddie apprécie peu cette besogne, son propre frère ayant autrefois été tué par un « Toon » (héros de cartoons). Il prend en flagrant délit Marvin Acmé, roi des farces et attrapes, avec Jessica. Roger est effondré. Mais Acmé assassiné, le voici suspect n° 1. Le juge Demort, dit Doom, ennemi juré des Toons (il a inventé un mélange verdâtre qui permet de les dissoudre), aidé de ses fidèles fouines, enquête. Mais Roger s'est réfugié chez Eddie, le seul en qui il ait confiance. En fait, Acmé, propriétaire de Toonville, avait rédigé un testament par lequel il léguait la ville aux Toons. Enquête tortueuse et courses-poursuites s'engagent entre Eddie, flanqué de l'encombrant lapin fou, et le juge. Celui-ci n'est qu'un Toon déguisé en humain, meurtrier d'Acmé comme du frère d'Eddie. Il veut exterminer les Toons et s'emparer de leur ville pour construire une autoroute. Il faudra qu'Eddie entre dans l'univers des Toons pour permettre à Roger et Jessica d'échapper à la mort et rendre aux Toons leur bien.