El Detective David Starsky (Ben Stiller) es el policía secreto más entregado a su trabajo en las peligrosas calles de Bay City, California. Su trabajo lo tiene completamente absorbido: cuando está de servicio ningún delito queda impune y él nunca abandona. Y ¡menos mal! Porque le espera una tarea titánica: su madre era una leyenda de las fuerzas de seguridad, una de las mejores policías de la historia de Bay City. Ella tuvo el mismo compañero durante toda su carrera, pero Starsky trabaja en uno de los departamentos más peligrosos de la policía, así que tarda menos en cambiar de compañero que su adorado Gran Torino en lanzarse a toda mecha por las carreteras.

El Detective Ken "Hutch" Hutchinson (Owen Wilson) no se encuentra en el mejor momento de su carrera: es un buen policía, pero su personalidad un tanto pasota y su debilidad por el dinero fácil no es la mejor tarjeta de presentación. Tiene un instinto fabuloso, pero tiene que hacer un esfuerzo para permanecer en el lado de la ley, aunque resulte menos rentable. Dobey (Fred Williamson), el exasperado Capitán de la Policía de Bay City, ha dado con la solución perfecta para sus dos problemas más engorrosos: emparejar a Starsky y Hutch y enviarlos a las calles.

Precisamente el mismo día en que estos dos dispares agentes comienzan a trabajar juntos sin demasiadas ganas, aparece un "flotador" en las aguas de Bay City. Con la ayuda de Huggy Bear (Snoop Dogg), el imprevisible y curtido soplón de Hutch, ambos comienzan a desenredar el misterioso caso de homicidio. Al investigar su primera pista, los chicos conocen a Staci (Carmen Electra) y Holly (Amy Smart), dos animadoras de Bay City que están deseando ayudar... en todo el sentido de la palabra.

Todas los indicios señalan al rico empresario Reese Feldman (Vince Vaughn), pero Starsky y Hutch no consiguen encontrar pruebas que lo incriminen. Sin que ellos lo sepan, Feldman ha urdido un plan para engañar a la DEA y está tramando la operación de tráfico de drogas más importante y lucrativa de su carrera.

Este dispar dúo recurrirá a sus tácticas secretas más astutas, a sus triquiñuelas callejeras más pícaras y a su innegable atractivo físico para resolver el caso y asegurarse que el culpable cumple su pena. Porque, como dice David Starsky: "En Bay City, cuando cruzas la línea, tus pelotas son mías".