Il film racconta la storia di un giovane pilota, Speed Racer, intenzionato a vincere con la Mach 5, una macchina da corsa realizzata dal padre, dotata di una serie di accessori e gadget elettronici del tutto particolari.

Speed Racer (Emile Hirsch) è un diciottenne la cui più grande passione sono sempre state le corse automobilistiche. Le corse in realtà sono nel suo DNA dato che suo padre (John Goodman) e sua madre (Susan Sarandon), gestiscono una piccola officina per auto da corsa, insieme al fratello minore Spritle (Paulie Litt), al meccanico Sparky (Kick Gurry) e la fidanzata Trixie (Christina Ricci). Da bambino Speed adorava il fratello maggiore e pilota record Rex Racer (Scott Porter), cacciato dalla famiglia, divenuto uno dei più scorretti piloti e morto durante una gara di rally, la Casa Cristo nota proprio per la sua pericolosità.

Grazie alla sua abilità alla guida della sua Mach 5 (macchina del fratello) progettata dal padre, diventa molto richiesto nel mondo delle corse, benché i suoi valori principali rimangano la correttezza alla guida e la tranquillità della propria famiglia.

Speed riceve l'allettante proposta di Mr. Royalton (Roger Allam), proprietario del conglomerato Royalton Industries, affinché entri a far parte della sua scuderia. Conoscendo le intenzioni e gli interessi di Royalton, Speed rifiuta, ma ben presto si troverà a dover affrontare la realtà. Il mondo delle corse, da lui tanto sognato, infatti è fatto di corruzione e le gare sono decise a tavolino in base agli interessi degli sponsor. Per le piccole case automobilistiche, come quella della sua famiglia non c'è posto. Tuttavia Speed decide di mettere fine a tutto questo, e alleandosi con i piloti Racer X (Matthew Fox) e Taejo Togokhan (Rain), decide di vincere la famigerata Casa Cristo, senza ricorrere a imbrogli ed illeciti. Inizialmente Speed tiene nascosto alla famiglia di voler partecipare, ma quando essi lo scoprono riceverà tutto il loro sostegno e riuscirà a vincere.

Dopo aver appreso che Togokhan stava facendo solo gli interessi del padre, Speed ha una spericolata gara con Racer X, che a differenza dei sospetti di Speed si rivela non essere suo fratello. Quando torna a casa, Horuko, la sorella di Togokhan, consegna a Speed un regolare invito al 91° gran prix che si è guadagnato vincendo il Casa Cristo.

Speed riesce a vincere anche se Royalton aveva messo una taglia sulla sua testa. Racer X, che sta guardando, rivela attraverso un flashback che egli è davvero Rex Racer che ha finto la sua morte e si è sottoposto a diversi interventi di chirurgia plastica per salvare la sua famiglia e lo sport delle corse. Egli sceglie di non rivelare la sua identità alla sua famiglia, dichiarando che deve vivere con la sua decisione.

La famiglia Racer celebra la vittoria di Speed, che sul podio bacia Trixie, alla fine Royalton viene mandato in prigione.