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Penny è una ragazzina di 12 anni che vive ad Hollywood con la madre e il suo cane Bolt. Da 5 anni Penny e il cane sono i protagonisti di una serie in cui Bolt, dotato di superpoteri, protegge la sua padroncina dal malvagio dottor Calico, che vuole rapirla per convincere il padre, tenuto prigioniero, a rivelargli un segreto; 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, la quale rivela che il lieto fine ormai Annoia il pubblico. Intima, così, al regista di fare cambiamenti.

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 cinica che sfrutta i piccioni costringendoli a portarle del cibo in cambio della sua protezione, 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 cade addosso a Bolt e delle noccioline di polistirolo si rovesciano su di lui, facendogli credere che fossero armi create da Calico per indebolirlo; impaurito, si getta dal camion in corsa assieme a Mittens. 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 di turisti. In quell'occasione incontrano Rhino, un criceto chiuso in una palla di plastica trasparente, fan di Bolt al punto da essere convinto che abbia davvero dei superpoteri. Rhino si unisce al gruppo e convince il cane a prendere un passaggio su un treno.

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 in 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 crederci. Bolt e Mittens vengono quindi catturati da un accalappiacani, mentre Rhino, rimasto libero, cerca di raggiungerli per liberarli. Bolt e Mittens cercano disperatamente di liberarsi, ma invano. Arriva finalmente Rhino, che apre lo sportello della gabbia in cui Bolt è rinchiuso, e il viaggio può riprendere.

Dopo essere saliti su un altro camion, Bolt si deprime ancora, credendo di essere inutile, ma Mittens lo conforta. 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 vuole tornare da Penny. 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. Arrivato sul set però vede Penny abbracciare un altro cane, identico a lui, e se ne va ferito, credendo che anche l'affetto della ragazza per lui fosse solo finzione, proprio come diceva l'amica gatta. In realtà quello che vede è il finale di una nuova puntata girata con un suo sostituto su ordine dei produttori, allo spegnimento delle telecamere Penny lascia il sosia di Bolt e si dispera sentendo la mancanza del vero Bolt. Mittens, che aveva seguito Bolt di nascosto, assiste a tutta la scena.

Nel frattempo nel teatro di posa 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, 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, nel tentativo di creare un passaggio tra i calcinacci, rischia di rimanere schiacciato ma viene salvato da Mittens. Bolt riesce ad entrare, ma il pertugio crolla; Bolt riesce a raggiungere Penny ma i due non trovano una via di fuga. Si fermano davanti a un condotto d'aerazione, e vengono quindi messi in salvo dai vigili del fuoco, avvertiti dall'abbaiare del cane; Bolt dimostra così che non sono i poteri a fare di qualcuno un eroe.

Penny e sua madre chiudono con lo show (che continua con un sostituto della ragazza e di Bolt). Penny adotta Mittens e Rhino e tutti insieme si trasferiscono in una città di campagna dove la ragazza può avere finalmente una vita tranquilla e felice con Bolt ed i suoi nuovi amici.