Speed Racer (Emile Hirsch) es un corredor nato, nacido para pilotar coches de carreras. Speed es agresivo, instintivo y, sobre todo, temerario. Su única competencia es el recuerdo de su hermano, el que fue su ídolo - el legendario Rex Racer, cuya muerte en una carrera ha dejado una meta que Speed siente la necesidad de cumplir.
Speed siente una gran lealtad hacia el negocio familiar de las carreras llevado por su padre, Pops Racer (John Goodman), el diseñador del poderoso bólido Mach 5 que pilota Speed. Cuando Speed rechaza una oferta muy lucrativa y tentadora de las Industrias Royalton, no sólo enfurece al maniático dueño de la empresa sino que descubre un terrible secreto: algunas de las carreras más importantes están siendo trucadas por un puñado de desalmados empresarios que manipulan a los pilotos más importantes para hacer más dinero. Si Speed no pilota para la escudería de Royalton, Royalton se va a ocupar de que el Mach 5 nunca cruce otra meta final.
La única manera de que Speed pueda salvar al negocio de la familia y el deporte que ama es ganar a Royalton en su propio juego. Con el apoyo de su familia y su leal novia, Trixie, (Christina Ricci), Speed se une a su anterior rival, el misterioso Racer X (Matthew Fox), para ganar la carrera que mató a su hermano: el rally a través del país conocido como The Crucible, un desafío a la muerte.