Jann Mardenborough est un jeune adulte vivant à Cardiff avec ses parents et son frère. Il passe le plus clair de son temps libre à jouer à Gran Turismo, où il s'avère être un pilote hors pair. Il est cependant en froid avec son père Steve, ancien joueur professionnel de football au Cardiff City FC, qui considère que son rêve de devenir pilote est trop ambitieux et qu'il perd son temps à jouer.
De l'autre côté du monde à Tokyo, Danny Moore, un cadre marketing chez Nissan, propose à la marque de dénicher les pilotes de demain en organisant un concours sur Gran Turismo. Nissan accepte le projet mais demande à Danny de trouver un mentor expérimenté pour former les pilotes, sans quoi le projet n'aboutira pas. Après de nombreux échecs, Danny se résigne à contacter Jack Salter, un ancien pilote devenu mécanicien pour l'écurie Capa, une équipe financée par un riche homme d'affaires. D'abord réticent à l'idée d'entraîner des joueurs sans expérience pratique, Jack revient sur sa décision après une altercation avec le pilote phare de son équipe, Nick Capa, ce qui le pousse à démissionner.
À Cardiff, Jann apprend qu'il est sélectionné pour participer à une course qualificative sur Gran Turismo pour la « GT Academy ». Après avoir passé une soirée arrosée avec son frère, il échappe à un contrôle de police. Le lendemain, son père l'emmène dans une gare de triage pour lui montrer la réalité de la vie s'il n'a aucun projet en dehors de son rêve de devenir pilote. Jann ne renonce pas et arrive de justesse pour participer à la course qualificative, qu'il finit par remporter.
Jann est accueilli à la GT Academy avec neuf autres pilotes également qualifiés venant du monde entier. Alors que Danny cherche avant tout à vendre son projet et souhaite trouver un pilote charismatique, Jack prévient tout le monde que piloter des voitures de course est extrêmement physique et également très risqué. Au fil des jours et des épreuves, plusieurs pilotes sont éliminés et Jann risque d'être le suivant. À la suite d'une course d'entraînement, Jann perd le contrôle de sa voiture, ayant remarqué un problème de freins. Jack s'apprête à l'éliminer de l'Academy, mais un mécanicien confirme ce problème et Jack donne sa chance à Jann pour l'ultime course de l'Academy. Grâce à son talent et sa vision du pilotage, Jann remporte la course d'un fil devant Matty Davis, son rival le plus performant. Au moment de la photo finish, Danny pense que Matty serait un meilleur représentant et souhaite que la victoire lui soit attribuée, mais Jack souhaite que Jann, ayant gagné à la loyale, soit le vainqueur. Jann est donc couronné champion de la GT Academy, et obtient le droit de rouler pour Nissan dans le monde professionnel. Pour obtenir sa licence FIA, il doit finir 4e sur une seule course, en six épreuves.
Les débuts de Jann en compétition sont difficiles : après une première course au Red Bull Ring où il finit dans les derniers à la suite d'un tampon de Nick Capa — qui voit Jann comme une menace pour le sport automobile — et malgré les remontrances et les moqueries de ses techniciens qui le voient encore comme un joueur, il prend peu à peu ses marques. C'est à Dubaï, lors de la course de la dernière chance au Dubaï Autodrome, qu'il parvient à finir 4e, non sans mal, ayant évité de justesse un accident avec Capa. Il obtient ainsi sa licence FIA et se rend à Tokyo pour rencontrer Kazunori Yamauchi, le créateur de Gran Turismo, et signer son contrat professionnel avec Nissan. Jann apprend, au cours d'une discussion avec Danny, que Jack était un pilote hors pair mais qu'il a tout arrêté du jour au lendemain, sans savoir pourquoi. Pour remercier Jack et apprendre à mieux le connaître, Jann décide alors de lui offrir un walkman un peu plus moderne, puisque Jack écoute encore sa musique sur un vieux lecteur cassette.
Lors d'une course au Nürburgring, l'un des circuits les plus redoutables au monde, Jann est bien placé. Mais sur une bosse, sa voiture s'envole par effet de soulèvement aérodynamique et s'écrase sur une colline en face. Malgré la violence de l'accident, Jann s'en tire avec quelques blessures. Cependant, il apprend que son accident a causé la mort d'un spectateur. Dévasté, Jann pense à arrêter la compétition. Jack lui propose alors de revenir sur les lieux de l'accident et de se remettre à conduire. Jack révèle alors qu'il a eu, dans sa jeunesse, un accident similaire aux 24 Heures du Mans, qui l'a poussé à tout arrêter. Il rappelle à Jann qu'avoir un tel accident fait partie des risques du sport automobile et que la mort de ce spectateur n'est aucunement sa faute.
En revenant à la compétition, Jann est informé par Danny que son contrat avec Nissan risque de ne pas être renouvelé, du fait d'une campagne menée par des pilotes pour éliminer les « simracers » du monde de la course automobile, les jugeant trop dangereux. Danny propose alors une idée folle : réaliser un podium aux 24 Heures du Mans avec une équipe composée uniquement de simracers. Jann est alors embarqué dans la course la plus importante de sa vie, avec deux autres pilotes de la GT Academy (dont Matty Davis, qu'il avait battu de justesse) pour l'accompagner, au volant d'un prototype Nissan.
Au Mans, Jann retrouve pour la première fois son père Steve depuis son départ pour la GT Academy. Steve lui avoue qu'il ne croyait pas en lui pour le protéger, mais reste malgré tout fier de tout ce que Jann a pu réussir. Le départ est donné et Jann parvient à être à l'avant, mais un accident se produisant à côté de lui va lui rappeler son propre accident au Nürburgring. Sous le choc, Jann ne parvient plus à rouler de façon performante, et perd des places. Jack parvient malgré tout à le rassurer, notamment en diffusant, via sa radio d'équipe, de la musique venant du walkman que Jann lui a offert. Jann se remet en selle, les heures passent, et l'équipe Nissan se rapproche du podium. Jann doit en urgence assurer le dernier relais de l'équipe, son coéquipier ayant une crampe. Malgré un incident mécanique, Jann gagne place après place, et c'est dans le dernier tour qu'il doit dépasser son rival Nick Capa. Après un combat sur tout le circuit, Jann trouve l'ouverture dans l'ultime virage, et parvient à finir 3e. Le projet est un succès, et Jann savoure, avec Jack resté sur le tarmac, le champagne de la victoire, sur le podium du circuit du Mans.
Le film s'achève sur des images du vrai Jann Mardenborough et de sa carrière, dont le film est inspiré.