Главный герой фильма — мальчик Чарли Бакет из бедной семьи, живущий в небольшой лачуге вместе со своими родителями, двумя дедушками и двумя бабушками. Отца Чарли увольняют с работы, и семья оказывается в крайне тяжёлом положении. В том же городе находится шоколадная фабрика Вилли Вонки, на которой раньше работал дедушка Чарли — Джо Бакет. После того как конкуренты выкрали шоколадные секреты магната, он уволил всех рабочих.+
С тех пор никто не видел, чтобы люди заходили на фабрику или выходили из неё. Только грузовики, развозящие шоколад, пересекают линию ворот фабрики. Но однажды из труб пошёл дым. Значит, там кто-то работал, но для всех оставалось тайной, что это были за рабочие. В один интересный день мистер Вонка положил 5 золотых билетов в столько же плиток шоколада и объявил, что те дети, которые найдут билеты, получат возможность попасть на фабрику. В мире начинается настоящий ажиотаж.
Первый билет находит мальчик Август Глуп, который страдает полнотой, ест шоколад в очень большом количестве и живёт в Дюссельдорфе. Второй билет достаётся Веруке Солт — избалованной дочери мультимиллионера из Бакингемшира. Третий билет достаётся очень целеустремлённой и самолюбивой девочке Виолетте Борегард из Атланты, а четвёртый находит увлечённый геймер Майк Тиви — вундеркинд из Денвера, который смог вычислить, какая именно плитка шоколада будет с золотым билетом. Пятый билет, найденный мальчиком из России, оказывается фальшивым.
Чарли получает первую шоколадку в подарок от родителей на день рождения, а вторую покупает на деньги, полученные от своего дедушки. Но ни в одной из шоколадных плиток не оказывается билета. На улице мальчик находит купюру достоинством в 10 долларов и покупает третью шоколадку, в которой и оказывается последний золотой билет.
Во вторник 1 февраля в 10 часов утра Чарли, его дедушка Джо, находители первых четырёх билетов и их родители приходят на фабрику. Сначала для них показывают кукольный спектакль, а затем к ним выходит сам мистер Вонка. Вначале он проводит своих гостей в Шоколадный цех, где было съедобно абсолютно всё, но предупреждает их не терять голову. Вдруг Верука Солт заметила странного человечка, потом появились ещё несколько таких же. Оказалось, что это и были те самые таинственные рабочие.
Это были умпа-лумпы, который Вилли Вонка случайно нашёл, путешествуя по Лумпаландии — никому не известной стране джунглей и опасных хищников — в поисках экзотических вкусов для сладостей. Он пригласил их к себе на фабрику, узнав, что они живут на деревьях, питаются тем, что нельзя назвать как и вкусным, так и отвратительным, любят какао-бобы и даже поклоняются им.
В процессе посещения фабрики соперники Чарли выбывают один за другим: первым за свою жадность поплатился Август Глуп, который попытался выпить шоколад из Шоколадной реки. В результате он упал туда в тот момент, когда в реку опустилась отводная труба, засосавшая его вместе с шоколадом и отправившая Августа в Помадковый цех, где мистер Вонка делает самую восхитительную клубничную помадку в шоколадной глазури. Позже один из умпа-лумпов отвёл туда миссис Глуп.1
В цехе Изобретений Виолетта Борегард выбыла следующей, потому что она попробовала жвачку-обед из трёх блюд, хотя Вилли Вонка предупреждал её не делать этого. Вследствие этого возник побочный эффект: девочка раздулась и стала похожей на гигантскую чернику. Также Вонка предупреждает, что если из Виолетты не выдавят черничный сок, то она может взорваться. Затем выбывает Верука — когда в Ореховом цехе она решила взять себе одну из работавших там белок, они сбросили её в мусоропровод.
В Телешоколадном цехе выбыл Майк Тиви, сильно уменьшившись в размерах, вследствии чего его пришлось отправить в цех «Тянутель тянучек». Там его должны растянуть в длину, но при этом Майк на всю жизнь останется плоским, как бумажный лист.
В результате из детей остался только Чарли, потому что «бедность не порок». За это мистер Вонка объявил его победителем, оставив ему свою шоколадную фабрику в качестве завещания, причём выдвигает условие. Оно заключается в следующем: фабрика будет принадлежать Чарли, если он оставит свою семью. Мальчик наотрез отказывается, а спустя некоторое время снова встречается с магнатом.
Они отправляются к отцу последнего — Уилбуру Вонке. Оказалось, что Уилбур был известным в городе дантистом, враждебно относившимся к сладостям (поскольку от большого количества сладкого портятся зубы), и Вилли ни разу не ел конфет до того момента, как сбежал из дома. Всё это время отец искал его, собирая все вырезки газет и копии наград, где хоть мельком упоминался его сын. Вилли снова предлагает Чарли стать своим наследником, согласившись с прежним условием. Теперь дом мальчика находится на территории фабрики. Мистер Бакет снова восстановлен в должности, а Вилли Вонка наконец обрёл семью.