Jack Deebs, dessinateur de bande dessinée incarcéré pour meurtre, trouve l'évasion en créant Cool World, un univers peuplé de personnages animés dont la séduisante Holli Would. Libéré de prison, Jack découvre qu'une machine permet réellement de voyager entre son monde et celui qu'il a imaginé. Il se retrouve alors fasciné par Holli, bien décidée à devenir humaine à tout prix en franchissant la frontière entre les deux réalités. Le détective Frank Harris, lui-même prisonnier de cet univers depuis des décennies, tente d'empêcher ce basculement aux conséquences potentiellement catastrophiques.