Narra el secuestro de un ciclista, durante el Tour de Francia por parte de la Mafia francesa, y cómo su abuela, Madame Souza, y su perro Bruno emprenden su búsqueda, con la ayuda de tres viejas estrellas del music-hall conocidas como «las trillizas de Belleville».

Champion, que ha sido adoptado por su abuela Madame Souza, es un niño solitario. Cuando ella se da cuenta de que el niño sólo es feliz sobre una bicicleta, lo somete a un riguroso entrenamiento. Años después, Champion ya está preparado para participar en la carrera ciclista más famosa del mundo: el Tour de Francia. Sin embargo, durante la competición dos misteriosos hombres vestidos de negro lo secuestran. Madame Souza y su fiel perro Bruno emprenden su búsqueda, que los lleva al otro lado del océano, a la enorme ciudad de Belleville, donde conocen a las famosas “Trillizas de Belleville”, tres estrellas del music–hall de los años 30, que deciden acogerlos bajo su protección. El gran sentido del olfato de Bruno, los pone sobre la pista de Champion.