Der Protagonist „Randale-Ralph“ ist nach 30 Jahren unzufrieden mit seiner Rolle als Bösewicht in dem 8-Bit-Ära-Arcade-Spiel „Fix-It Felix Jr.“, da er auch nach Feierabend von den übrigen Charakteren ausgegrenzt wird. Nach einem Treffen der Selbsthilfegruppe „Anonyme Bösewichte“ innerhalb des Pacman-Labyrinths trifft er in dem Barkeeper-Spiel Tapper einen ausgebrannten Soldaten aus dem Ego-Shooter Hero’s Duty. Er schmuggelt sich in das fremde Science-Fiction-Spiel, um die eigentlich für den Spieler vorgesehene Heldenmedaille zu ergattern und damit Felix und die anderen Charaktere zu beeindrucken. Zunächst überwältigt von der düsteren Umgebung und der hektischen Spielemechanik, klettert er in einer Spielepause den zu erstürmenden Turm hinauf und nimmt die Heldenmedaille entgegen, die ihm von holographischen Militärs in Ehrenformation überreicht wird. Versehentlich beschädigt er ein Ei der zu bekämpfenden „Cy-Bugs“ und fliegt mit einer Rettungskapsel in das niedliche Kart-Rennspiel „Sugar Rush“. Dabei scheint er den Käfer zunächst loszuwerden, was sich aber später als Irrtum herausstellt, da die Käfer sich aufgrund ihrer einfachen Programmierung wie ein Computervirus verhalten und unbemerkt vermehren.
Bei dem Versuch, seine verlorengegangene Medaille zurückzuholen, trifft Ralph auf Vanellope von Schweetz, die seine Medaille kurzerhand entwendet und als Wetteinsatz zum Qualifying für den Auswahlbildschirm des nächsten Spieltags benutzt. Da Vanellope als Programmierfehler (Glitch) ebenfalls eine Außenseiterin ist und wie Ralph unter Ausgrenzung leidet, verbünden sie sich, um in einem integrierten Mini-Spiel einen Rennwagen zu backen und für das anstehende Rennen zu trainieren.
Mittlerweile macht sich Fix-It Felix Jr. auf die Suche nach seinem fehlenden Gegenspieler, weil dem defekten Spiel „Fix-It Felix Jr.“ sonst die Abschaltung droht. Der weibliche Sergeant Calhoun aus Hero’s Duty versucht unterdessen das entflohene Roboterinsekt vor der Eiablage aufzuspüren und zeigt sich unbeeindruckt von den missglückten Flirtversuchen des verliebten Felix. Vanellope tritt im Rennen gegen ihre Konkurrenten an, wobei sich schließlich King Candy als der eifersüchtige Turbo entpuppt, der, nachdem sein technisch unterlegenes Rennspiel an Popularität verlor, die Programmierung konkurrierender Motorsportspiele manipuliert hat. Vanellope kann ihn im Rennen bezwingen, wobei jedoch die Welt von der eingeschleppten Käferplage überrannt wird und evakuiert werden muss. So kommt es zum Showdown zwischen Ralph und dem inzwischen weiter mutierten Turbo. In einem letzten Kraftakt zerstört Ralph vorsätzlich eine Bergkuppe, unter der sich eine Tropfsteinhöhle voller Mentos befindet. Der Sturz der Mentos-Stalaktiten in den heißen Cola-See führt zu einem hell leuchtenden Geysir, der auf die Insekten inklusive Turbo wie ein elektrischer Insektenvernichter wirkt. Ein Reset des Spiels enthüllt, dass Vanellope die eigentliche Hauptfigur des Rennspiels ist. Des Weiteren wird klar, dass das „Glitchen“ eine spezielle Fähigkeit von ihr ist.
Ralph kehrt in sein ursprüngliches Spiel zurück. Er findet sich mit seiner Rolle ab, sorgt jedoch dafür, dass alle obdachlosen Spielfiguren ausgemusterter Retro-Spiele eine Behausung in der Spielewelt von Fix-It Felix Jr. erhalten und in ein Bonus-Level integriert werden. Der Film endet mit einer Hochzeit zwischen Felix und Sergeant Calhoun. Ralph und Vanellope, die nun das Spiel verlassen kann, sind Trauzeugen.