Di Jepang era 1950-an, profesor universitas bernama Tatsuo Kusakabe pindah ke rumah tua di pedesaan bareng dua putrinya, Satsuki (sekitar 10 tahun) dan Mei (sekitar 4 tahun). Rumah baru mereka nggak jauh dari rumah sakit tempat sang ibu, Yasuko, dirawat karena sakit yang udah lama. Tapi ternyata, rumah itu dihuni sama makhluk kecil mirip bola debu hitam bernama susuwatari, yang cuma bisa kelihatan kalau kamu pindah dari tempat terang ke tempat gelap. Nggak lama, para susuwatari itu pindah cari rumah kosong lain.

Suatu hari, Mei nemuin dua roh kecil yang membawanya ke dalam batang pohon kamper besar. Di sana, dia ketemu makhluk besar dan bulu-bulu yang akhirnya dia panggil Totoro, karena suaranya mirip nama itu. Mei ngira Totoro ini troll kayak di buku dongengnya. Dia ketiduran di atas perut Totoro, tapi pas Satsuki nemuin, Mei udah ada di tanah. Berkali-kali Mei coba nunjukin pohon tempat Totoro tinggal, tapi gagal — sampai ayah mereka bilang, “Totoro bakal muncul kalau dia mau.”

Suatu malam hujan, Satsuki dan Mei nunggu bus ayah mereka yang telat datang. Mei ketiduran di punggung Satsuki, dan tiba-tiba Totoro nongol di samping mereka — ini pertama kalinya Satsuki bisa lihat Totoro! Karena Totoro cuma pake selembar daun di kepala buat nangkis hujan, Satsuki ngasih payungnya. Totoro seneng banget dan ngasih mereka biji-bijian sebagai gantinya. Nggak lama, muncul Catbus — bus raksasa berbentuk kucing — yang ngangkut Totoro pergi.

Beberapa hari kemudian, biji yang mereka tanam mulai tumbuh. Tengah malam, Totoro dan para roh lain muncul dan ngelakuin tarian ajaib di sekitar tanaman itu. Satsuki dan Mei ikutan, dan tiba-tiba biji-bijian itu tumbuh jadi pohon raksasa! Totoro bahkan ngajak mereka terbang pakai baling-baling ajaib. Besok paginya pohon itu hilang, tapi bibitnya benar-benar tumbuh.

Suatu hari, mereka dapat kabar kalau kunjungan ibu ditunda karena kondisi kesehatannya menurun. Mei marah dan berselisih sama Satsuki, lalu kabur sambil bawa jagung buat dikasih ke ibunya di rumah sakit — tapi malah tersesat. Warga desa panik dan bantu nyari, sampai-sampai mereka takut Mei udah kenapa-kenapa. Dalam keputusasaan, Satsuki minta tolong Totoro. Totoro langsung manggil Catbus, yang ngebut nyari Mei dan berhasil nemuin dia.

Setelah bersatu lagi, Catbus nganter mereka ke rumah sakit. Dari kejauhan, mereka ngeliat ibu mereka ternyata cuma pilek ringan dan bakal sembuh sebentar lagi. Mereka pun ninggalin jagung di jendela kamar ibu sebagai hadiah kecil penuh cinta.

Akhirnya, Yasuko pulang ke rumah, dan Satsuki serta Mei bisa main bareng anak-anak lain di desa — sementara Totoro dan teman-teman hutan ajaibnya cuma nonton dari kejauhan, tersenyum diam-diam.