Speed Racer (Emile Hirsch) er en ung mann som har medfødte racing-instinkter. Hans mål er å vinne The Crucible, et billøp som strekker seg over hele landet og som tok livet av hans eldre bror, Rex Racer (Scott Porter). Speed er lojal mot familiebedriften, som blir drevet av hans foreldre Pops (John Goodman) og Mom (Susan Sarandon). Pops designet Speeds bil, Mach 5. Eieren av Royalton Industries (Roger Allam) gir Speed et lukrativt tilbud, Speed avslår tilbudet, noe som irriterer eieren. Speed oppdager også at toppindustrisjefer, inkludert Royalton, i hemmelighet driver med korrupsjon og jukser i billøpene for å tjene mer penger. Med sitt tilbud til Speed avslått, vil Royalton forsikre seg om at Speed ikke vinner flere løp. Speed får støtte fra sine foreldre og kjæresten Trixie (Christina Ricci) og deltar i The Crucible med et partnerskap med sin tidligere rival, Racer X (Matthew Fox), i håp om å redde familiebedriften og hele racingsporten.