少女ペニーは動物保護施設で白い子犬を引き取り、ボルトと名付ける。5年後、ボルト（声：ジョン・トラヴォルタ）はペニー（マイリー・サイラス）を守るため、破壊力のある“スーパー・ボイス”を武器に悪の軍団と戦っていた。それは人気ティーン女優となったペニーが出演するドラマの話だったが、ハリウッドのスタジオ育ちのボルトはそれを現実だと信じていた。ある日ボルトは、さらわれたペニーを救おうと走り出し、勢い余って段ボール箱に入ってしまう。それを知らずに箱はニューヨークまで発送される。ニューヨークに着いたボルトは、野良猫ミトンズ（スージー・エスマン）にハリウッドへの道案内を命じる。2匹は道中で、テレビおたくのハムスター、ライノ（マーク・ウォルトン）と出会う。ボルトに憧れていたライノは旅に参加する。3匹は高架橋から走る列車に飛び乗ろうとするが、ドラマとは違い、命を危険にさらす羽目に。ミトンズは怒りを爆発させ、ドラマと現実の違いをボルトに教える。ボルトはスーパー・ボイスで反論しようとするが、ただの鳴き声しか出ない。しかもその鳴き声に気づいた動物管理局の車にボルトとミトンズは捕まってしまう。ライノに救出されたボルトは自信を失うが、ライノに励まされ、ミトンズを助け出す。ミトンズはボルトの勇気と優しさに心を開く。ミトンズはボルトに普通の犬の幸せを教え、ラスベガスで一緒に暮らそうと誘う。しかしボルトはペニーのことが忘れられなかった。飼い主に捨てられた過去を持つミトンズは、ペニーはボルトを愛している芝居をしていただけだと言い放つ。ボルトはハリウッドに向けてひとりで旅立つ。それを知ったライノは後を追い、その友情にミトンズも心を打たれる。ハリウッドに辿りついたボルトは、ペニーの愛を信じられなくなる出来事に遭遇する。しかし、いつの間にか追ってきていたミトンズが現れ、ボルトを勇気づける。ボルトはペニーのもとに走り出すが、そのとき、ペニーに本当の危機が迫っていた。