n einem fiktiven Los Angeles im Jahre 1947 leben Menschen mit Zeichentrickfiguren, den Toons, zusammen. Zeichentrickfilme werden nicht gezeichnet, sondern in einem Studio im Stadtteil Toonstadt mit den Darstellern aufgenommen. Auch Roger Rabbit ist Schauspieler, jedoch mit den Gedanken nicht ganz bei der Sache; er macht sehr viele Fehler. Studioboss R. K. Maroon beauftragt deshalb den heruntergekommenen Privatdetektiv Eddie Valiant, Rogers Ehefrau Jessica Rabbit zu beschatten, die diesen vermutlich hintergeht. Valiant hat zunächst kein Interesse, da vor Jahren sein Bruder und Partner Teddy bei der Verfolgung eines räuberischen Toons durch ein Klavier, das auf seinen Kopf gestürzt wurde, ums Leben gekommen war; seitdem ist Valiant dem Alkohol verfallen und hat eine starke Abneigung gegen Toons entwickelt. Da er aber Schulden bei seiner Freundin Dolores hat, übernimmt er schließlich den Fall.

Valiant fotografiert Jessica zusammen mit dem Industriellen Marvin Acme beim Backe-Backe-Kuchen-Spiel. Als Roger die Fotos gezeigt werden, dreht dieser durch und läuft aufgeregt davon. Einen Tag später erfährt Valiant, dass Acme angeblich von Roger Rabbit umgebracht wurde: Roger soll Acme einen Tresor auf den Kopf geworfen haben, und alle Indizien sprechen gegen ihn. Da Valiant durch die Art des Mordes an den Mord an seinem Bruder erinnert wird, und da ausgerechnet Jessica Rabbit persönlich die Unschuld ihres Mannes beteuert, weckt der Fall schließlich doch noch sein Interesse. Zudem entwickelt er eine Abneigung gegen den ausführenden Gesetzeshüter von Toonstadt, Richter Doom, und seine Handlanger, die Wiesel. Ihre Methode der Rechtsprechung besteht nämlich darin, Toons mittels der Suppe zu exekutieren, einer von Doom erfundenen Mischung aus Aceton, Terpentin und Benzol; dem einzigen Mittel, das einen Toon töten kann.

Im Laufe seiner Ermittlungen erfährt Valiant, dass Acme ein Testament verfasst hat, wonach er Toonstadt den Toons vererbt; dieses Testament konnte jedoch nicht gefunden werden. Wenn dieses Dokument nicht bald auftaucht, wird eine Privatfirma namens Cloverleaf, die schon die städtische Straßenbahn aufgekauft hat, auch Toonstadt übernehmen. Und zu allem Überfluss versteckt sich Roger bei Valiant und erschwert diesem dadurch sein Leben und seine Ermittlungen. Er schafft es aber, Eddie davon zu überzeugen, dass er Acme nicht umgebracht hat; seiner Eifersucht hat er lediglich im Verfassen eines Liebesbriefs an Jessica Luft gemacht, nicht mit einem Mord.

Gejagt von Doom und seinen Wieseln, stolpert Valiant über einen Hinweis, dass Studioboss Maroon in der Sache seine Hände im Spiel hat. Von diesem erfährt er, dass Cloverleaf die Absicht hat, Toonstadt zu vernichten; doch bevor Maroon mehr sagen kann, wird er hinterrücks erschossen. Schließlich stellt sich heraus, dass Richter Doom hinter der ganzen Sache steckt: Als der alleinige Inhaber von Cloverleaf will Doom Toonstadt kaufen, sie mit der Suppe auslöschen und an ihrer Stelle eine Autobahn bauen – wenn auch mehr aus (aus seiner Sicht) ästhetischen denn aus Profitgründen. Als Valiant sich ihm in den Weg stellt, wird enthüllt, dass Doom selbst ein Toon ist – und der Mörder von Acme, Maroon und Teddy Valiant. Nachdem Valiant vier Wiesel zum Totlachen bringen konnte und ein Wiesel in die Suppe kickt, kommt es zu einem Kampf mit Doom, der damit endet, dass Doom versehentlich von seiner eigenen Erfindung vernichtet wird.

Schließlich findet sich auch das Testament: Marvin Acme hatte es – als der Scherzbold, der er zu Lebzeiten war – mit unsichtbar werdender und nach einiger Zeit wiedererscheinender Tinte geschrieben, und Roger hatte den anscheinend leeren Bogen anschließend für seinen Liebesbrief benutzt. Nun wieder in Frieden mit sich selbst und den Toons, zieht Eddie zusammen mit Dolores, Roger, Jessica und den versammelten Toons zu einer Freudenfeier in Toonstadt ein.