Charlie Bucket adalah anak laki-laki baik hati yang hidup dalam kemiskinan bersama keluarganya di dekat pabrik cokelat milik Willy Wonka. Pabrik tersebut telah lama ditutup untuk umum akibat masalah spionase industri, yang juga membuat seluruh karyawan, termasuk kakek Charlie, Grandpa Joe, kehilangan pekerjaan.

Ayah Charlie pun baru saja di-PHK dari pabrik pasta gigi, meski ia menyembunyikan hal itu dari putranya. Suatu hari, Wonka mengumumkan kompetisi besar, lima Golden Ticket disembunyikan dalam cokelat Wonka yang tersebar di seluruh dunia.

Para pemenang akan diajak tur ke dalam pabrik dan mendapatkan cokelat seumur hidup, dengan satu hadiah spesial di akhir tur. Empat tiket pertama ditemukan oleh anak-anak dengan sifat kurang baik, Augustus Gloop yang rakus, Veruca Salt yang manja, Violet Beauregarde yang sombong, serta Mike Teavee yang temperamental.

Charlie mencoba dua kali namun gagal mendapatkan tiket. Saat mendengar tiket terakhir ditemukan di Rusia, ia hampir menyerah. Namun secara tak terduga, Charlie menemukan uang dan membeli satu cokelat lagi, yang ternyata berisi Golden Ticket asli, karena tiket dari Rusia terbukti palsu. Meski ditawari uang besar untuk menjual tiket tersebut, Charlie memilih mempertahankannya setelah mendapat nasihat dari Grandpa George, dan mengajak Grandpa Joe menemaninya tur.

Di pabrik, Wonka menyambut mereka dan memulai perjalanan penuh keajaiban. Namun, satu per satu anak lain tersingkir akibat sifat buruk mereka sendiri, sementara para pekerja Wonka, Oompa-Loompas, menyanyikan lagu bernuansa moral setelah setiap kejadian.

Di sisi lain, Wonka mengenang masa kecilnya yang keras di bawah didikan ayahnya, Wilbur Wonka, seorang dokter gigi yang melarangnya makan permen. Larangan itu justru membuat Wonka kabur untuk mengejar mimpinya, namun saat kembali, ia mendapati ayah dan rumahnya telah menghilang.