Незнайка, увлёкшись сказками, пытается совершать добрые поступки, в надежде на то, что добрый волшебник вознаградит его за это волшебным предметом. Но Незнайка никак не может сделать хоть один добрый поступок бескорыстно (он помнит, почему он начал их совершать), и тут же портит дело каким-нибудь плохим поступком. Но наконец волшебник появился и вручил Незнайке волшебную палочку. Тут же Незнайка вместе с подругой Кнопочкой принимают решение совершить путешествие. Получив при помощи волшебства автомобиль (точную копию автомобиля местных изобретателей Винтика и Шпунтика) и взяв с собой Пачкулю Пёстренького, они отправляются в путешествие — посещают Солнечный город, весьма развитый и цивилизованный город.
Там Незнайка, в силу своей вспыльчивости, сначала превращает коротышку Листика в осла, а затем, когда об исчезновении Листика напечатали в газете, пытаясь исправить положение и не разобравшись, вместо этого превращает в коротышек трёх ослов из зоопарка. Затем Незнайка сам попадает под арест за хулиганское поведение, но благодаря волшебной палочке ему удаётся безнаказанно бежать, милиционер Свистулькин же получает при этом сотрясение мозга и временную недееспособность, лежит в больнице.
В Солнечном городе путешественники знакомятся с архитектурой, вращающимися домами и театрами, находят новых знакомых: архитектора Кубика, инженера Клёпку, театрального актёра и рабочего Карасика, художницу и шахматистку Ниточку.
Они совершают экскурсии на всевозможные фабрики и заводы, потом проводят время в Солнечном парке, состоящем из пяти городков:
Спортивный городок, где «проводились разные спортивные игры и состязания»;Водяной городок — «с плавательными бассейнами, вышками для ныряния и лодочными пристанями»;Театральный городок, в котором «находились разные театры, кино, а также цирк»;Шахматный городок, где «можно было играть в шашки и шахматы»;Весёлый городок — «с разными увеселительными аттракционами».
Тем временем в городе постепенно начинаются беспорядки (описание которых было рискованным, как считали редакторы книги), безобразные действия бывших ослов и их подражателей. Путешественники поначалу этого не замечают, так как проводят много времени в Солнечном парке за городом. Узнав о причинах происходящего благодаря статье профессора Козявкина в газете и пытаясь поправить положение, Незнайка в неподходящий момент теряет саму волшебную палочку, а как потом оказывается, и её волшебную силу. И уже в самой безнадёжной ситуации на помощь приходит волшебник и возвращает всё на свои места.