TRAMA
Il film inizia con Penny, una bambina che compra un cane in un negozio di animali, chiamandolo appunto Bolt. Trascorrono cinque anni, Bolt e Penny adesso lavorano per uno studio televisivo e sono i protagonisti di una serie in cui Bolt protegge la sua padroncina dal malvagio dottor Calico, che vuole rapirla per convincere il padre, tenuto prigioniero, a servirlo; tuttavia Calico viene sconfitto alla fine di ogni episodio. Bolt, però, è inconsapevole di essere un attore e, fuori dagli studios, crede ancora di avere i superpoteri. Un giorno, dopo aver terminato di girare una puntata, il regista discute con Mindy Parker, la rappresentante del Network, che rivela che il "lieto fine" ha stufato il pubblico, affermando che, se perderanno dei fan, tutti i dipendenti saranno licenziati.
Il giorno dopo il regista, per accontentare Mindy, decide di girare una puntata con un finale aperto. Infatti, alla fine di quell'episodio, Penny viene rapita da Calico. Bolt, credendo che il rapimento sia reale, scappa dagli studios per cercare Penny e viene accidentalmente portato a New York.

Una volta lì, Bolt comincia a cercare Penny e chiede informazioni ad alcuni piccioni. Questi gli fanno credere di conoscere qualcuno che lavori per Calico e lo portano da Mittens, una gatta riluttante e cinica, della quale si vogliono liberare. In realtà lei non sa niente, ma finge di essere una spia di Calico dopo che Bolt minaccia di gettarla da un cavalcavia. Vedendo che la medaglietta di Bolt porta il nome di Hollywood, Mittens lo indirizza là e chiede in cambio di essere liberata, ma lui la costringe a seguirlo, così i due prendono un passaggio su un camion diretto a Hollywood.
Giunti in Ohio, una scatola di polistirolo cade addosso a Bolt, che crede che sia una sostanza creata da Calico come arma per indebolirlo; impaurito, si getta dal camion in corsa assieme a Mittens. Dopo aver brevemente litigato con la gatta, Bolt prova i primi morsi della fame e, non sapendo cosa significhino, accusa Mittens di averlo avvelenato, ma lei lo porta dove è certa di trovare del cibo, cioè in un parcheggio per camper e roulotte dei turisti. Mittens, per conquistare il cibo, chiede a Bolt di fare "la faccia da cane", ma lui appare dubbioso e restio. Dopo avergli mostrato la commovente e buffa espressione facciale che deve assumere, Mittens convince Bolt a usarla per farsi consegnare degli avanzi, e il tentativo riesce.

Dopo aver mangiato, il duo incontra Rhino, un criceto che è un appassionato fan di Bolt e che lo adora. Dopo una breve discussione tra Bolt e Mittens, che vorrebbe allontanare il criceto ritenendolo pazzo al pari di Bolt, Rhino si unisce al gruppo e convince il cane a prendere un passaggio su un treno, mezzo più veloce del camion. I tre si lanciano quindi da un ponte per atterrare su un treno in corsa, e proprio in quell'occasione Rhino svela a Mittens di aver visto Bolt compiere più volte atti straordinari nella "scatola magica", cioè la televisione. A quel punto Mittens intuisce la verità: Bolt è l'inconsapevole attore di uno show televisivo. Dopo una rocambolesca discesa dal treno, Mittens rivela a Bolt la verità, ma lui rifiuta di crederle e, dopo aver usato innumerevoli volte senza successo il suo più potente superpotere, il super-latrato, Bolt e Mittens vengono catturati da un accalappiacani, mentre Rhino, rimasto libero, cerca di raggiungerli per liberarli.
Intanto, a Hollywood, Penny non si dà pace e stampa volantini per cercare Bolt, ma viene interrotta dall'arrivo del suo agente, che afferma di averlo ritrovato. In realtà il cane che entra subito dopo nella stanza non è Bolt, ma un suo sosia; Penny lo riconosce come tale e si rifiuta di recitare con lui. A quel punto entra in scena Mindy, che la convince che Bolt non tornerà più e che è necessario che lo dimentichi per permettere alla serie di continuare.

Intanto Bolt e Mittens sono ancora rinchiusi e cercano disperatamente di liberarsi, ma invano. Bolt tenta anche di usare i suoi poteri che, naturalmente, non funzionano. Dopo svariati tentativi, arriva Rhino che apre lo sportello della gabbia in cui Bolt è rinchiuso, proprio mentre quest'ultimo stava dandogli una testata. Bolt crede di essersi liberato da solo, ma rispunta ancora il criceto, che afferma che il merito è interamente suo; Bolt capisce allora di non possedere superpoteri. Per un attimo il cane si affligge, sentendosi incapace di portare a termine la sua missione, ma, grazie a un convincente discorso dello stesso Rhino, decide di tentare di liberare Mittens. I due riescono nel loro obiettivo, mentre Bolt informa la gatta della sua scoperta. Così il viaggio riprende.
Dopo essere saliti su un altro camion, Bolt si deprime ancora, credendo di essere inutile, ma Mittens lo conforta, asserendo che essere un cane normale è la cosa più bella del mondo e che i gatti odiano i cani perché vorrebbero essere come loro. Mittens si assume così il compito di insegnare a Bolt, durante il viaggio, a comportarsi come un cane comune. Arrivati a Las Vegas, Mittens decide di fare una sorpresa a Bolt preparando due cucce, una per lei stessa, l'altra per lui; ma il cane sostiene di non poter fermarsi, perché deve tornare da Penny.

A quel punto Mittens, sentendosi ferita, rivela il suo passato a Bolt: spiega che era stata abbandonata dai suoi padroni vari anni prima e, secondo lei, gli uomini fingono solamente di voler bene ai propri animali. Di fronte all'insistenza di Bolt, che continua a essere sicuro che la sua padroncina gli voglia bene, Mittens rimane a Las Vegas, mentre Bolt parte da solo per Hollywood; tuttavia, grazie a un discorso di Rhino, che convince la gatta che non bisogna mai abbandonare i propri amici, Mittens decide di raggiungerlo ugualmente.
Arrivato a Hollywood, Bolt vede Penny abbracciare e coccolare un cane identico a lui, non sapendo che lei lo sta facendo solo per le esigenze di produzione. Bolt crede dunque che Mittens abbia ragione e, amareggiato, se ne va. Poco dopo però Mittens, giunta negli studios, assiste a una scena che la colpisce: vede Penny che piange e abbraccia la madre perché sente la mancanza del suo cane; così corre da Bolt per informarlo sulla realtà della situazione. Nel frattempo nel teatro di posa, mentre si sta girando una nuova sequenza, il sosia di Bolt ribalta accidentalmente una torcia e in breve l'intero teatro prende fuoco; tutta la troupe si mette in salvo, tranne Penny, che rimane bloccata all'interno. Mittens intanto raggiunge Bolt, rivelandogli la verità, ma il cane si accorge delle grida disperate di Penny e i due accorrono per salvarla.

Arrivati nel piazzale del teatro, si imbattono in Rhino, che riesce a creare una piccola fessura tra i calcinacci per far entrare Bolt, ma poi il pertugio crolla, chiudendo all'interno sia il cane che Penny, mentre Mittens e Rhino rimangono fuori. Bolt riesce a raggiungere Penny ma, nonostante una lunga corsa tra le travi crollate e ardenti, i due non trovano una via di fuga. Bolt e Penny si fermano quindi davanti a un condotto d'aerazione, sufficientemente largo solo per far passare Bolt. Il cane, tuttavia, rimane con la sua padroncina, ormai deciso a morire con lei, quando si accorge che i suoi guaiti rimbombano nel condotto. Rialzatosi, lancia un forte super-latrato, seguito da vari altri, che vengono uditi dai pompieri nel piazzale. I vigili del fuoco riescono a identificarne la provenienza e allora svellono le lastre esterne di copertura del teatro nel punto giusto, salvando la vita a entrambi. Bolt dimostra così che non sono i poteri a fare di qualcuno un eroe. Penny viene portata all'ospedale per alcuni controlli, mentre la madre riesce finalmente a liberarsi del fastidioso agente della figlia.
Dalle scene finali si scopre che la serie di Bolt continua, anche se con attori diversi. Infatti Bolt e Penny vanno a vivere felici in una casa di campagna assieme alla madre di Penny, a Mittens e a Rhino.

Personaggi
Bolt: Bolt è il protagonista del suo telefilm ed è cresciuto sul set, dove pensa che tutto quello che succede nella serie sia reale e che lui sia stato geneticamente modificato e dotato di superpoteri. Quando, per sbaglio, viene inviato a New York, i suoi superpoteri non funzionano più. Mentre la realtà inizia a mettere alla prova le sue illusioni, Bolt scopre che la sua vita è stata tutta una finzione, ma in mezzo a tante avversità e duri colpi, scopre che il suo vero superpotere è la fedeltà verso Penny, la sua adorata padroncina.
Mittens: Mittens è una gatta di strada che vive nei vicoli di New York. Mittens è stata presa "prigioniera" da Bolt per aiutarlo a tornare a casa, pensando che fosse un gatto del suo nemico televisivo, il dottor Calico. Il suo cinismo e il suo pessimismo si scontrano ogni volta con la lealtà e la caparbietà di Bolt, ma durante il viaggio sarà proprio Mittens a intuire per prima la verità su Bolt e a spiegargliela; infatti, con l'aiuto di Rhino, gli insegna a essere un cane normale.
Rhino: Rhino è un criceto follemente appassionato di Bolt. Quando lo incontra durante il viaggio, si unisce subito a lui e a Mittens per arrivare a Hollywood. Dentro la sua palla di plexiglas rotolante, Rhino ben presto diventerà il braccio destro di Bolt.
Penny: Penny è una ragazzina di 13 anni ed è la padroncina di Bolt nella serie TV e nella reltà. Al termine di ogni episodio, Penny cerca di fare vivere a Bolt qualche minuto di vita da "cane normale", ma non ci riuscirà mai, fino al suo ritorno dal viaggio. Rimane però sempre affezionata a Bolt, instaurando col cane un sentimento di amicizia e fedeltà; infatti, quando Bolt si perde, Penny non esita a cercarlo ovunque si trovi.