В стране Трёх Толстяков революционная ситуация — недовольство бедной части общества, то и дело вспыхивают столкновения мятежников с гвардией Трёх Толстяков. Лидерами революционеров являются оружейник Просперо и воздушный гимнаст Тибул. Один из главных героев романа, учёный широчайшего профиля, доктор Гаспар Арнери, сочувствует народу, хотя сам — довольно обеспеченный человек. Просперо арестован и посажен в клетку зверинца, но Тибул остаётся на свободе. Гаспар прячет Тибула в своем доме и с помощью смываемого раствора перекрашивает его в негра для временной маскировки. На следующий день «негр» случайно узнаёт о подземном ходе из дворца Трёх Толстяков (этот секрет открывает Тибулу продавец воздушных шаров, который накануне имел неосторожность залететь на своих шарах на дворцовую кухню и только за связку своих шаров купил свободу у пригрозивших выдать его поварят).
Тем временем, поднявшие мятеж гвардейцы дворцовой стражи портят саблями механизм чудесной куклы наследника Толстяков, холёного, но подавленного мальчика Тутти. Когда кукла была исправна, она не отличалась внешне от живой девочки и даже росла идентично с Тутти. Как лучшему уму страны, доктору Гаспару отдан приказ починить куклу за один день и одну ночь под угрозой суровой кары. Он не может этого сделать по объективным техническим причинам и везёт куклу во дворец, чтобы честно сдаться, но по дороге теряет её. Поиски куклы приводят его в фургон бродячих артистов, и там он видит маленькую циркачку Суок, как две капли воды похожую на сломанную куклу. По инициативе Тибула (тоже член труппы этого балаганчика) она соглашается подменить собой куклу и помочь революционерам: спасти Просперо из дворцового зверинца. Более того: доктор, договорившись с Суок, демонстрирует, будто бы кукла безвозвратно умрёт, если Толстяки не отменят массовую казнь пленённых при неудачном штурме мятежников, и казнь отменена, чтобы смертью куклы не расстроить Тутти!