Vencendo nas pistas, correndo a toda velocidade por todos os lados e disputando todas as etapas da competição, Speed Racer (Emile Hirsch) é um talento natural na direção. Nascido para dirigir carros de corrida, Speed é agressivo, instintivo, e mais do que tudo, não sente medo. Seu único obstáculo verdadeiro é a memória do irmão que ele idolatrava -- o lendário Rex Racer, cuja morte numa corrida deixou um legado que Speed carrega.

Speed Racer é leal aos negócios de corrida da família, conduzidos por seu pai, Pops Racer (John Goodman), o desenhista do supercarro de Speed, Mach 5. Quando Speed recusa uma lucrativa e tentadora oferta da indústria Royalton, ele não apenas enfurece o maníaco dono da companhia (Roger Allam), mas acaba encobrindo um terrível segredo — algumas das principais corridas são "compradas" por um grupo de cruéis medalhões que manipulam os cinco principais pilotos para ganhar dinheiro. Se Speed não dirigir para a Royalton, a Royalton vai dar um jeito para que o Mach 5 não passe perto de nenhuma bandeirada nas chegadas.

A única maneira de Speed salvar os negócios da família e o esporte que ele tanto ama é vencer a Royalton em seu próprio jogo. Com o apoio de sua família e da leal namorada, Trixie (Christina Ricci), Speed se associa com seu ex-rival — o misterioso Corredor X (Matthew Fox) — para vencer a mesma corrida que tirou a vida de seu irmão: o arriscado rally The Crucible, que percorre todo o país.