אדי ואליאנט (בוב הוסקינס) הוא בלש פרטי שמתקשה להסתיר את השנאה שלו לעולם הקומיקס, בעקבות טראומה אישית שבה אחיו נרצח בידי דמות מצוירת. כשמפיק ידוע מת בגילוי מפתיע, רוג'ר ראביט, דמות מצוירת מוכרת ושנויה במחלוקת, מוצא את עצמו במרכז חשדות לרצח. למרות הסקפטיות והאיבה שלו לעולם האנימציה, אדי נאלץ לחזור לתוך אותו עולם צבעוני ומוזר כדי לפתור את התעלומה. במהלך החקירה הוא מתמודד עם דמויות מצוירות שונות, חלקן ידידותיות וחלקן מסוכנות, ומגלה שהעולם המצויר והמציאות האנושית שזורים זה בזה בצורה מורכבת ומסוכנת. אדי מנסה לגלות מי עומד מאחורי הרצח ולנקות את שמו של רוג'ר, אך הדרך מתמלאת במכשולים, בגילויים מפתיעים ובסכנות שמערערות את האמונות שלו. ככל שהוא מתעמק בחקירה, הוא מבין שהסיפור רחב יותר ממה שנראה לעין, ושיש כוחות אפלים שמנסים להשתלט על שני העולמות. אדי ואליאנט חייב לנווט בין מציאות לדמיון, בין אמת לשקר, כדי לחשוף את האמת ולהציל את רוג'ר מכתם רצח שלא ביצע. המאבק שלו הוא לא רק על הצדק, אלא גם על התמודדות עם הפחדים והפצעים מהעבר, ועל קבלת העולם המורכב שבו מצויר ובן אדם חיים זה לצד זה. במהלך החקירה, אדי מגלה קשרים חשאיים בין בעלי הון בתעשיית הסרטים לבין דמויות מצוירות שמנסות להשתלט על העיר. הוא מתמודד עם אויבים מסוכנים כמו ג'סי קפיטן, דמות מצוירת מרושעת שמנסה למנוע ממנו לחשוף את האמת. בעזרת דמויות מצוירות נאמנות, כמו גוגול-פוגול ורוג'ר ראביט עצמו, אדי מצליח לחשוף מזימה שמאיימת על שלום שני העולמות. בסופו של דבר, הוא מצליח לנקות את שמו של רוג'ר ולהביא את האשם לדין, ובכך מחזיר את האיזון בין עולם האנימציה לעולם האמיתי. הסרט משלב אלמנטים של קומדיה, מתח ופנטזיה, ומציג ביקורת חברתית על תעשיית הבידור והיחסים בין המציאות לדמיון. עם בימויו של רוברט זמקיס, הסרט הפך לאבן דרך טכנולוגית ותרבותית, ששילבה הנפשה עם שחקנים חיים בצורה פורצת דרך.
