故事開始，兔子朱迪和小夥伴在舞臺上表演節目。他們宣講著自己的夢想，朱迪的夢想是做一個兔子警官。這事讓父母很擔心，他們勸說朱迪在家鄉當個種胡蘿蔔的農民，才能過上幸福的生活。朱迪卻幹勁十足，他喜歡去嘗試新鮮的事物。
十五年後，朱迪考上了動物城的警察學校。不過剛開始的訓練並不順利。教官勸他退學回家，所有人都說兔子是當不了警察的，但朱迪卻有一股不服輸的勁頭。別人休息了，他還在看書，訓練，朱迪的堅持沒有被辜負。他很快成了訓練場上的精英。畢業後，朱迪以優異的成績畢業，被分配到城區的分局工作。
很快朱迪就要出發去動物城上班了。臨行前，父母既不舍，又擔心。為她準備了很多防身工具，不過他只拿了一瓶防護噴霧。依依不捨地與父母告別後，朱迪坐上了通往夢想的列車。
列車在經過沙漠區、冰川區和雨林區後，終於到達動物城。朱迪首先來到宿舍公寓，雖然宿舍狹小，隔壁還很吵，但絲毫影響不了她的興奮心情。
第二天早上，朱迪來到警局報到。牛局長告訴大家，最近有十四起哺乳類食肉動物失蹤案，市政廳一直催著要破案。說完就把要調查的區域一一分配下去，好不容易輪到朱迪，給他分配的卻是交通協管的工作。朱迪對此很不滿意。局長卻毫不在意地告訴朱迪，既然你這麼優秀，那一天開一百張罰單應該。
雖然朱迪不喜歡交警的工作，但他還是決心超額完成，任何一個停車超時的報警聲都逃不過他的耳朵。到中午十二點，朱迪已經開出了兩百零一張罰單，不過其中也包括他自己的一張。
這時朱迪看到狐狸尼克偷偷地溜進大象的冷飲店，他便跟了進去。大象直接拒絕售賣冰棍給狐狸。朱迪在後面聽到，尼克是想給兒子買根冰棍做生日禮物。因此自掏腰包給父子倆買了一個巨無霸冰棍
下午朱迪看到上午遇見的狐狸父子，正想過去打招呼。他發現狐狸把巨無霸冰棍分成了許多小冰棍賣給老鼠，再把回收的木棍賣給工地。最後兩隻狐狸平分賺來的錢，小狐狸並不是他兒子，他們是合伙人。
朱迪感覺自己被騙了，一路跟著尼克理論。不但沒有抓住他的把柄，還把自己弄得狼狽不堪。回到宿舍，夢想與現實的巨大差距讓朱迪很是喪氣。
第二天朱迪繼續著開罰單的工作，車主的各種抱怨讓他沒有了第一天的熱情。這時旁邊的商店裡發生了一起搶劫案，朱迪立即興奮起來，終於到了他大顯身手的時候了。但一回到警局就遭到了牛局長訓話，因為他為了追回一袋洋蔥，離開了自己的崗位，還引起周圍動物的恐慌。
突然一隻水獺進入了辦公室，懇求牛局長能幫他找回丈夫。局長表示已經在盡力尋找了。朱迪主動請纓說他可以找到水獺先生。牛局長對於朱迪的擅自做主很生氣。結果羊助理知道朱迪接下了這個案子，覺得為小型動物們爭了光，開心地給市長報告了消息。牛局長沒辦法，只能讓朱迪接手這個案子。
朱迪馬上展開了行動，他從目擊地點的照片中看到了尼克。為了讓尼克幫忙，他用錄音筆記下了尼克逃稅、漏稅的證據。無奈之下，尼克告訴朱迪，他看到水獺先生去了瑜伽館。
他們在瑜伽館查到了車牌號。又來到車管所，尼克找了個朋友幫忙，這個名叫閃電的朋友其實是動作非常緩慢的樹懶。心急的兔子遇到慢性子的樹懶，朱迪差點崩潰了。等查完信息，天都黑了，朱迪帶著尼克找到了那輛車。
根據車內的擺設，尼克認出這是冰川區最可怕的黑幫頭目大先生的車，他得罪過大先生，所以想拉著朱迪快點離開。可是已經晚了，他們被抓到了大先生的家裡。都以為大先生是身材威猛的北極熊，沒想到竟是一隻充滿教父威嚴的小鼩鼱。
大先生的女兒認出朱迪就是救過他的兔子警官，大先生告訴朱迪，水獺先生是家裡的花匠，當天水獺先生突然發瘋了，不但砸毀了車子，還抓傷了司機美洲豹。
朱迪來到熱帶雨林區，從美洲豹那裡了解到水獺先生發瘋時不停地喊著午夜嚎叫，想再詳細了解情況時，美洲豹也突然發了瘋。
他們想通過城市的交通探頭，去了解美洲豹的去向。朱迪找到羊助理幫忙查監控信息，監控畫面顯示，森林狼把美洲豹帶走了，接著他們又根據森林狼的行車軌跡來到懸崖收容所，原來失蹤的十四隻動物都被關到了這裡，但這些動物都變得狂躁不安。
更讓人沒想到的是，這些動物都是獅子市長命人抓起來的。他怕這些發了瘋的動物引起城市的恐慌，從而影響他市長的地位。朱迪把市長的話都錄了下來，然後和尼克從馬桶的下水道逃走後報了警，牛局長帶人抓走了獅子市長。
隨後警局召開了記者招待會，朱迪作為大功臣上臺發言。朱迪回答記者提問時表示，這些動物會發瘋，可能跟食肉動物的本性有一些關係。結果他的言論激發了食肉和食草動物之間的矛盾。自從食肉動物貼上野蠻的標籤後，動物城裡關於種群的矛盾也愈演愈烈。
此時榮升為市長的羊助理準備讓朱迪做警局新的形象代言人，但朱迪卻覺得自己不僅沒有讓世界變得更好，還把動物城搞得一團糟，他主動交出警徽，回到了家鄉。
這天他從父母口中知道了農場裡有一種花叫午夜嚎叫，如果動物不小心吃了這種花，就會變得野蠻、發瘋。朱迪終於明白，午夜嚎叫是花，是這種花兒讓食肉動物變得野蠻。
朱迪找到尼克，真誠地向她道歉，並請她幫忙調查此事。朱迪這才想起當初黃鼠狼搶的不是洋蔥，而是午夜嚎叫花的種子。他們利用大先生的關係逼迫黃鼠狼說了實話。原來他把這些花高價賣給了公羊道格。
道格的地下交貨點設在一節廢棄的列車上，朱迪和尼克偷偷潛入車廂，發現道格把花的汁液提煉出來，製成毒鏢。那些動物都是因為中了毒鏢才發瘋的。
朱迪趁機開走了這節列車，尼克乘亂拿走了那個放有毒鏢的箱子。之後列車在路口拐彎時，由於車速太快，列車翻了。
他們拿著箱子準備經過歷史博物館趕往警察局，但在途中卻遇到了羊市長。原來真正的幕後黑手就是她。她的目的是讓食草動物成為這座城市的主宰者。一番鬥爭後，羊市長被隨後趕來的牛局長逮捕入獄。
最後午夜嚎叫的症狀被醫生成功治癒，尼克也成為了動物城裡的狐狸警官。這天牛局長給朱迪和尼克下達任務，讓他們去抓回在市中心飆車的動物。二人順利地攔下了那輛車。當車窗搖下來時，正是快如閃電的樹懶。
《瘋狂動物城》用動物們構建了一個完整的社會，當中的一切都可以在人類社會中找到原形。餐飲店中不講衛生的大象，車管所中的閃電的辦事效率，圍著市長拍馬屁的副市長。如果把動物換成人，幾乎不用改任何情節就可以完全呈現。大人們可以看出這些腹黑的細節，但小孩們只會愛上這隻勇敢、聰明的小兔子，是真正老少皆宜的佳片。