Картина начинается с заглавных титров короткометражного мультипликационного фильма «Somethin’s Cookin» («Запахло жареным»), в котором принимают участие главный герой фильма антропоморфный кролик Роджер и малыш Герман (в действительности не младенец, а карлик). Роджер, согласно сюжету, оставлен присматривать за Германом, пока его мать ходит в парикмахерскую. Малыш выбирается из манежа и отправляется на кухню, где пытается с риском для жизни добраться до банки с печеньем, стоящей на холодильнике. Роджер, отвлёкшийся на некоторое время, обнаруживает пропажу Германа и пытается вернуть его в манеж, сам при этом попадая в те же неприятности, от которых пытается уберечь малыша. Когда на него падает холодильник, вокруг головы Роджера начинают кружить птички, раздаётся команда режиссёра «Стоп!» и оказывается, что вся сцена имела место на съёмочной площадке, а вместо птичек Роджер должен был по сценарию пустить звёздочки.

Недовольный рассеянностью Роджера владелец студии «Maroon Cartoons» Р. К. Марун нанимает частного детектива Эдди Валианта (Боб Хоскинс) для следующего дела: ходят слухи, будто бы жена кролика, Джессика Рэббит (мультяшная роковая женщина), имеет связь на стороне. Марун хочет предоставить Роджеру доказательства измены, рассчитывая (как ни странно), что это поможет кролику сконцентрироваться на работе. Далее по ходу развития сюжета происходит убийство магната Марвина Акме, владельца компании «Acme» и Мультауна. Именно с ним встречалась Джессика Рэббит (проводя время за безобидной на человеческий взгляд игрой в «ладушки»), и первым под подозрение попадает кролик Роджер. У него есть мотив и нет алиби, а улики, найденные на месте преступления, указывают на то, что убийца — мультяшка.

На след Роджера выходит судья Рок (Кристофер Ллойд) из Окружного верховного суда Мультауна и его подручные, банда хорьков из «мультяшного патруля» (англ. toon patrol). Вопреки распространённому мнению о том, что мультяшку невозможно убить, Рок нашёл действенное средство: смесь ацетона, бензола и скипидара. «Сироп», как его называют в фильме, способен растворить любого мультяшку, и поэтому Роджеру, несмотря на его мультипликационную природу, грозит вполне реальная смерть.

Единственный человек, способный помочь Роджеру доказать его невиновность, — Эдди Валиант, частный детектив, испытывающий определённые трудности с алкогольной зависимостью. В то же время основная сложность в том, что Валиант с некоторых пор ненавидит «мультях». Когда-то давно они с братом Тедди Валиантом держали детективное агентство, и каждый обитатель Мультауна знал: если попал в беду, есть лишь одно место, где тебе помогут — «Валиант и Валиант». Но несколько лет назад во время расследования ограбления неизвестный мультяшка сбросил на них с Тедди с 15-го этажа рояль. Эдди сломал руку, а его брат погиб. Тем не менее, Валиант берётся помочь Роджеру (вероятно, не столько из добрых побуждений, сколько чтобы насолить судье Року, или, что ещё вероятнее, испытывая вину перед Роджером за сделанные фотоснимки, послужившие основанием для обвинения кролика в убийстве).

По ходу расследования Валиант приходит к выводу, что Роджер стал пешкой в крупной игре, и основные события касаются завещания убитого Марвина Акме, в котором тот собирался передать Мультаун мультяшкам в пожизненное владение. Некая компания «Cloverleaf Industry», скупающая по всему городу земельные участки, предложила муниципалитету приличную сумму за Мультаун, и Валиант начинает подозревать, что судья Рок нанят этой компанией и лично заинтересован в том, чтобы завещание не было найдено до наступления полуночи.

Позднее оказывается, что судья Рок является единственным владельцем «Cloverleaf». Он видел проектную документацию, согласно которой муниципалитет собирается проложить недалеко от Мультауна автостраду, и планирует обогатиться, застроив прилегающую к будущей автостраде территорию закусочными быстрого обслуживания, автозаправками и т. д. Если завещание не будет найдено, городские власти продадут Мультаун компании «Cloverleaf», и судья Рок зальёт город со всеми его обитателями «сиропом».

В кульминационный момент фильма, происходящий на складе «Акме», Рок и его подручные разбрызгивают из гидравлической пушки «сироп», пытаясь убить Роджера и Джессику. Во время заключительного поединка выясняется, что судья Рок — тоже мультяшка, и более того, именно он убил Тедди Валианта. В схватке с Роком, Эдди сбивает вентиль с 15-тонной ёмкости с «сиропом», судью обдаёт струёй под напором, и он гибнет, тая в луже им же придуманного растворителя.

Тут же находится завещание Марвина Акме, написанное «исчезающими и снова проявляющимися чернилами» (Роджер использовал завещание как чистый лист, чтобы написать на нём любовную записку Джессике), Мультаун переходит в вечное пользование мультяшкам, которые в восторге исполняют песню «Smile, Darn Ya, Smile».