故事设定在1947年的洛杉矶，人类与卡通角色共同生活。卡通兔子罗杰因怀疑美丽性感的妻子杰西卡不忠，导致在片场频频出错，制片方不得不雇佣私人侦探埃迪·瓦利安特跟踪杰西卡，收集她出轨的证据。埃迪发现杰西卡与经营“图恩城”的法官杜姆过从甚密，而杜姆暗中策划摧毁卡通角色的家园——图恩城，以便修建高速公路。不久，罗杰被指控谋杀了制片人马文·阿克梅，埃迪为洗清罗杰的冤屈，与卡通角色们联手对抗杜姆。影片开创性地将真人表演与手绘动画完美结合，兔子罗杰的动作、光影和互动都极其逼真。故事融合了黑色电影、喜剧与悬疑元素，通过罗杰的纯真与埃迪的沧桑，讽刺了好莱坞的贪婪与阴谋。最终，埃迪发现杜姆才是真正的凶手，并用“谁陷害了兔子罗杰”的真相揭开了杜姆的疯狂计划，拯救了图恩城。