Speed Racer (Emile Hirsch) est un as du volant, un fonceur instinctif et intrépide, qui enchaîne les victoires. Né pour ce sport à haut risque, il n’y a connu qu’un seul rival : son propre frère, le légendaire Rex Racer, fauché en pleine gloire, et dont il est aujourd’hui l’héritier.

Loyal à la firme de son père, Pops Racer (John Goodman), concepteur de sa puissante Mach 5, Speed a rejeté une alléchante proposition des Royalton Industries. Après s’être attiré par ce refus la haine du fanatique Royalton (Roger Allam), Speed découvre que certaines des plus grandes courses américaines sont truquées par une poignée d’hommes d’affaires, manipulant les meilleurs pilotes pour booster leurs profits. Et puisque Speed refuse de courir sous ses couleurs, Royalton veillera à ce que la Mach 5 ne remporte plus une seule course…

Pour sauver l’entreprise familiale et sa carrière, Speed n’a d’autre issue que de battre Royalton à son propre jeu. Soutenu par sa famille et sa fidèle compagne Trixie (Christina Ricci), le pilote s’associe à un ancien rival, le mystérieux Racer X (Matthew Fox), pour remporter la course mythique qui coûta la vie à son frère : le terrifiant rallye « Crucible »…