Le détective Eddie Valiant est engagé pour surveiller les allées et venues de Jessica, la femme volage de Roger Rabbit, un lapin vedette d'un cartoon. Eddie n'apprécie pas les "toon" en raison d'une altercation passée. Lorsqu'il découvre Jessica avec Marvin Acme, il doit annoncer la triste nouvelle à Roger. Quelques jours plus tard, Acme est retrouvé assassiné et Roger Rabbit devient le principal suspect. L'enquête policière se concentre sur Roger qui doit prouver son innocence tout en démêlant les mystères entourant l'affaire...