Девочка по имени Пенни и её пёс Вольт  участвуют в съёмках телесериала, в котором Вольт с помощью фантастических технологий наделён сверхспособностями. По сюжету сериала, Пенни и Вольт противостоят гнусному злодею — доктору Калико, (он же — Зеленоглазый любитель кошек), который похитил отца Пенни, учёного, превратившего Вольта из обычного щенка в суперпса.
После очередной победы над целой армией наёмников Зеленоглазого, пытавшихся похитить Пенни для шантажа её отца, который отказался работать во вред человечеству, съёмочный день окончился, все свободны. Но только не Вольт. По замыслу хитрых алчных руководителей съёмок, пёс не должен знать, что он всего-навсего актёр, а все его способности: ультразвуковой супергавк, стреляющие лазерами глаза, возможность обгонять ракеты — применение современных технологий съёмочной площадки. «Пока пёс верит — зритель верит» — девиз режиссёра и цель голливудского агента настоящей Пенни, которая искренне любит Вольта и за пределами сценария. Ведь он живёт в трейлере и кроме съёмочной площадки ничего не видел, а поэтому ничего не знает о той, другой жизни — жизни настоящей собаки. Пенни даже запрещают взять Вольта на выходные.
Чтобы вызвать реалистичное отчаяние на душе Вольта (для поднятия рейтингов), по изменённому сценарию Зеленоглазый всё-таки похищает Пенни и обещает, что пёс больше никогда не увидит свою хозяйку. Во время съёмок Вольта запирают в его трейлере, откуда он умудряется сбежать, чтобы освободить Пенни, так как думает что всё происходит на самом деле.
При неудачной попытке пробить окно здания в реальном мире, Вольт теряет сознание и падает в коробку с пенопластом. Коробку по ошибке оформляют как посылку, и отправляют в Нью-Йорк.
Вольт оказывается в чужом городе в реальной жизни, в которой всё не так, как в кино. Пёс этого не знает, но уверен, что сверхспособности ему помогут в поисках Пенни. Он решает взять в плен кошку — союзника Зеленоглазого, сопровождающего того повсюду.
Для Вольта все коты — союзники злодея и он похищает кошку Варежку . Бездомная кошка Варежка — «крыша» у голубей, которые на неё работают. Голуби убеждают Вольта, что она и есть сообщник Зеленоглазого и избавляются от своего «авторитета». Вольт прицепил кошку за свой поводок, и пообещал отпустить её после того, как найдут Пенни.
В это время в Лос-Анджелесе Пенни беспокоится о благополучии Вольта. Поиски и объявления ничего не дали. Она боится, что ему очень страшно оказаться на улице в незнакомом городе, в незнакомой жизни.
Через некоторое время Варежка начинает понимать, кто такой Вольт, и так как все равно ей деваться некуда, она учит его выживать в реальном мире, в котором Вольт никогда не был и даже не знает, что такое боль и голод. Она по-другому начинает относиться к нему и даже сочувствует, когда его попытки применить сверхспособности не удаются.
В одном из кемпингов они случайно встречают помешанного на сериалах и боевиках хомяка Рино. Рино живет в удобном пластмассовом шаре и целыми днями не отходит от экрана телевизора. Вольт — его любимый киногерой. Обалдевший от такого счастья, бесстрашный Рино, просит Вольта взять его с собой, чтобы помочь найти его хозяйку. От него же Варежка узнает, почему Вольт ему знаком. Она понимает, что Вольт — пёс из Голливуда. Этим объясняется его навязчивая мысль о злодее Калико, и, внезапно исчезнувшие сверхспособности, и, конечно, неприспособленность к реальному миру. И самое главное — теперь они знают, куда направиться.
По пути Вольт окончательно убеждается, что все его фантастические умения — всего лишь выдумка и даже молния на его боку начинает потихоньку стираться. Но, неунывающий Рино старается поддерживать присутствие духа в своем герое. Вольт обнаруживает у себя другие способности — самые настоящие. Когти, зубы, уши, которые ему приходиться использовать в те моменты, когда они всей компанией испытывают трудности и попадают в сложные ситуации. Передвигаясь пешком, автомобилями, поездами, днём, ночью, в жару и в ливень путники становятся друзьями. Каждый раз они готовы прийти на выручку друг к другу и это иногда случается. Вольт, наконец, понимает, что такое настоящая жизнь, когда, наученный Варежкой, выглядывает в окно одного из попутных трейлеров на ходу и, совсем по-собачьи высовывает язык.
Агент Пенни, отчаявшейся искать Вольта, хитростью уговорил её продолжать сниматься в сериале, но только с псом, внешне похожим на него. Пенни соглашается и останавливает принтер, печатающий объявления о Вольте. Времени прошло очень много.
Во время попутной остановки в Лас-Вегасе Варежка, подумав о том, что вдруг и Пенни и её забота о Вольте тоже выдумка, требование сценария, фарс, предлагает ему не возвращаться домой, а остаться жить на улице в комфортабельных коробках. Варежка на себе испробовала людскую ложь и неблагодарность, когда она — в прошлом домашняя кошка — оказалась выброшена на улицу. Бывшие хозяева переехали, а её оставили одну — без вины виноватую. Вольт не мог поверить, что Пенни притворяется, что любит его. В нём теплилась надежда, что это совсем не так.
Вольт продолжает поиски один, добирается до Голливуда и находит студию, в которой снимался, а также свой трейлер. Там на полу он по старой памяти хватает любимую игрушку и вдруг слышит голос Пенни: «Вольт!» Он со всех ног бежит с игрушкой во рту, в тени от декораций, в темном съёмочном павильоне туда — на свет, в котором ясно различим силуэт Пенни и — вдруг! На полпути до неё он слышит лай, и видит такого же пса, как он. Пенни прижимает другого Вольта к себе!
Обескураженный настоящий Вольт тихо уходит из павильона и не слышит крик режиссера на репетиции: «Стоп! На сегодня все свободны!» Не видит, как снова грустная Пенни оплакивает Вольта. Но это видит Варежка, которую уговорил Рино помочь Вольту. Они тоже добрались до Голливуда. Варежка пошла в город за Вольтом и пробралась в павильон.
Подавленный Вольт бредёт по улицам Лос-Анджелеса. Тут его находит Варежка и рассказывает всю правду. Вольт со всех лап бежит обратно на студию.
Там съемочный день уже в самом разгаре. Снимается новый эпизод с Пенни и новым Вольтом и тут, дублер героя паникует и случайно сбивает один из факелов на сцене. Тот падает на декорации. Декорации моментально вспыхивают. Через несколько минут горит весь павильон.
В суматохе Пенни оказывается под декорациями и не может выбраться. Настоящий Вольт, в сопровождении своих друзей, несмотря на пожар, ворвался туда и стал её искать.
Еще через некоторое время пожар был такой силы, что никто не мог войти в здание. Мама Пенни в ужасе. В это время Вольт нашел свою любимицу и стал помогать ей выбраться. Но единственный доступный выход — это узкое отверстие вентиляции в стене, в котором Вольт мог бы проползти. Но Пенни не сможет. Вольт вернулся и лег рядом с потерявшей сознание хозяйкой.
Тут, у теряющего сознание пса прояснилась мысль — СУПЕРГАВК! Собрав последние силы, Вольт начал лаять. Слабый собачий лай услышали на улице. Нашли это место, разобрали стену и вытащили девочку и героя Вольта, от дыма ставшего дымчатого цвета.
После реанимации Пенни и её мама вышвырнули корыстного жуликоватого агента, который пришел к ним с новыми идеями и предложениями.
Финал мультфильма: счастливые Пенни, её мама, и, не менее счастливые Вольт, Варежка и Рино в загородном домике смотрят сериал «Вольт» — с участием нового Вольта и новой (абсолютно другой) девочки. Рино забраковал новую версию сериала, как нереалистичную. Пенни зовет Вольта на улицу. Они выбегают и играют в догонялки.

Песня за кадром (повтор второй половины последнего куплета «Barking at the Moon» Дженни Льюис):
«…Нет дома лучше своего,
Ведь свой дом всего родней».