有一個小男孩叫查理·巴克特，他和父母、爺爺奶奶、外公外婆住在一起。查理一家居住在一棟搖搖欲墜的小木房裡，相互之間和睦融洽，是一個幸福的家庭。雖然每個夜晚，一家七口吃的晚餐都是捲心菜湯（就快吃不飽肚子了），可是小查理卻樂意與自己最心愛的人在一起，非常的愛自己的家人。
   從查理家的一個窗子望去，可以看到全世界最大的巧克力工廠―旺卡巧克力工廠。工廠由一位天才巧克力製作者兼生產商威利·旺卡所擁有。那是座神秘的工廠，大門緊鎖，15年來，從來沒有看見有工人從大門進去或出來過，可是卻能聞到濃郁的巧克力香味。工廠出產的旺卡牌巧克力銷往世界各地，深受孩子們的喜愛。小查理也不例外，在每個夜晚的夢鄉中，他都幻想自己可以親身進入那座工廠。 （小查理每年只能在生日那天吃一塊巧克力，所以他家的牆上貼滿了他吃過的每一塊旺卡巧克力的包裝紙）。 
   有一天，威利·旺卡先生宣布了一個告示，他將向五位幸運的孩子開放充滿“奧秘和魔力”巧克力工廠。除了得到參觀工廠外，他們還能得到足夠吃一輩子的巧克力糖和其他糖果。全世界購買旺卡牌巧克力的孩子都有機會，只要發現藏在包裝紙裡的金券，誰獲得金券誰就是幸運兒。不過，旺卡先生一共只准備了五張金券，小查理得到金券的機會微乎其微，他也很想得到金券，去參觀那神秘的巧克力工廠。 
   全世界一下子掀起了購買旺卡牌巧克力的熱潮，幸運兒一個又一個地出現了，媒體們也都在播報孩子們發現金券的新聞。首先是喜歡暴飲暴食的奧古斯塔斯，一個不愛思考只喜歡每天往嘴裡塞甜食的胖男孩。接下來的一位是被家人寵壞的小女孩維魯卡·索爾特，要是她爸爸不給買她想要的東西，她就會耍賴，撒嬌，又踢又鬧吵個沒完。第三位幸運兒是嚼口香糖冠軍維奧莉特，她只在意往自己背包裡不斷地裝戰利品。最後一位是邁克，一個喜歡打電玩，誰都瞧不起，總是喜歡炫耀自己比別人聰明的小男孩。 
   獲得金券的小孩前四張金券都有主人了，最後的機會會降臨在小查理身上嗎？奇蹟終於發生了，小查理不經意間在雪地上發現了一張紙幣，於是他欣喜地奔向最近的商店，迫不及待地買下了一塊旺卡牌巧克力。很久沒有嚐到巧克力的小查理正想著這塊巧克力會是什麼味道時，拆開包裝紙，發現下面露出了金色。沒錯，這是最後一張金券，一些其他顧客看到了金券，都要去問查理買，但是查理卻聽了店老闆的話，將金券帶回了家。查理就要去巧克力工廠了，他的心理充滿著歡樂和喜悅，他的爺爺、年邁的喬·巴克特聽到這個好消息高興地從床上跳下來，他回憶起旺卡先生在關閉塔樓之前自己在巧克力工廠工作時的美好時光。全家決定讓爺爺陪伴小查理去，一塊去度過即將到來的精彩紛呈的冒險時光。
   參觀巧克力工廠的過程是一次奇特的經歷。小查理、爺爺和每個參觀者都被眼前的景象和撲鼻而來的香味驚嘆不已，他們的體驗充滿了無限的著迷、狂喜、好奇、驚訝和迷惑不解。說得誇張一點，即便是做最荒誕的夢你也想像不出這樣的事情。飛流直下的巧克力瀑布，龍頭船航行在棕色巧克力糖漿的河流，鬱鬱蔥蔥的口香糖草地，還有滿山遍野的牛奶糖，到處都是巧克力。巧克力工廠裡的工人全是來自蠻荒叢林、酷愛巧克力（可可豆）的矮人國的小矮人。
   巧克力工廠巨大的“糖衣砲彈”讓其他四個孩子都失去了自製。奧古斯塔斯掉進了巧克力河裡，維奧莉特變成了藍莓糖果，維魯卡·索爾特被送進了廢品爐，邁克鑽進了電視，變成了信號微粒。
   對於這一切，小查理不為所動，他並沒有因為一時的激動而失去理智。最不可思議的事發生了，查理成了最後的贏家。威利·旺卡打算把整個巧克力工廠送給查理，讓查理和自己回工廠，當自己的繼承人。但是，有一個條件，那就是從此不許和家人們生活在一起。查里感到很莫名其妙，為了家人們，查理放棄了機會，他認為家是最好的，那什麼都不能換，就是拿全世界的巧克力都不換。
   之後查里發現了旺卡童年時不為人知的秘密，旺卡從小就離開家人去外創業，才有了今天的成功，所以他認為家人只有嘮叨和管教，沒有正真的親情，後來查理陪同威利·旺卡去拜訪了他的父親，最後旺卡終於懂得了親情的可貴，明白了父親的良苦用心。
   最後，查理同意接管工廠，當旺卡的繼承人，並且旺卡把查理全家人都原封不動的搬進了工廠，與他們成為了一家人。