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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. Zunächst überwältigt von der düsteren Umgebung und der hektischen Spielemechanik, klettert er in einer Spielepause den zu erstürmenden Turm hinauf und nimmt eine für den Spieler bestimmte Ehrenmedaille entgegen, die ihn von holographischen Militärs in Ehrenformation überreicht wird. Versehentlich beschädigt er ein Ei der zu bekämpfenden „Cy-Bugs“ und fliegt mit einer Rettungskapsel in das Kartrennspiel „Sugar Rush“. Dabei infiziert er die surreale Süßwarenwelt mit den Käfern, die sich aufgrund ihrer einfachen Programmierung wie ein Computervirus verhalten und unbemerkt vermehren. Seine Heldenmedaille wird von Vanellope entwendet und als Wetteinsatz zum Qualifying für den Auswahlbildschirm am nächsten Spieltag verwendet. Da Vanellope als defekter Avatar ebenfalls eine Außenseiterin ist und wie Ralph unter Mobbing 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 versucht unterdessen das entflohene Roboterinsekt vor der Eiablage aufzuspüren und zeigt sich unbeeindruckt von den missglückten Flirtversuchen des verliebten Felix. King Candy entpuppt sich als der eifersüchtige Turbo, der nachdem sein technisch unterlegenes Rennspiel an Popularität verlor, die Programmierung konkurrierender Motorsportspiele manipuliert. Vanellope kann ihn in dem Rennen bezwingen, wobei jedoch die Welt von der eingeschleppten Käferplage überrannt wird und evakuiert werden muss. Es kommt zum Showdown zwischen Ralph und dem inzwischen weiter mutierten Turbo. In einem letzten Kraftakt zerstört Ralph vorsätzlich eine Bergkuppe unter der sich eine Tropfsteinhöhle 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 von ihr eine spezielle Fähigkeit 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 Wreck-It Ralph erhalten und in ein Bonus-Level integriert werden. Der Film endet mit einer Hochzeit zwischen Fix-it Felix, Jr. und Sergeant Calhoun. Ralph und Vanellope, die nun das Spiel verlassen kann, sind Trauzeugen.
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