Randale Ralph hat nach 30 Jahren genug davon, immer nur der Bösewicht in dem Automatenspiel "Fix-It-Felix-Jr." zu sein. Er möchte mit den Bewohnern Nicelands und Felix Jr. zusammen im Penthouse wohnen und nicht allein auf der Müllkippe leben. Um zu beweisen, was in ihm steckt, will er eine Medaille gewinnen. Ralph sieht seine Chance gekommen, als er von der Medaille der Helden im Spiel "Hero's Duty" erfährt, in dem tapfere Soldaten den Kampf gegen die Bugs aufnehmen. Und tatsächlich schafft Ralph es auf Umwegen, die Medaille zu ergattern.
Infolge einer Unachtsamkeit wird Ralph jedoch zusammen mit seiner Belohnung sowie einem Bug mittels Rettungskapsel in die Rennspielwelt von "Sugar Rush" katapultiert. Hier trifft er auf Vanellope von Schweetz, die unbedingt an einem der Qualifikationsrennen teilnehmen möchte, dafür jedoch eine Münze benötigt.
Und während Ralph und Vanellope langsam Freunde werden, macht sich Felix Jr. gemeinsam mit der Gruppenführerin aus "Hero's Duty" auf die Suche nach Ralph und dem gefährlichen Bug. Denn ohne Ralph droht die Abschaltung von "Fix-It-Felix-Jr." und eine Ausbreitung der Bugs könnte sogar für alle Spiele der Arcade zum Zusammenbruch führen.