威利•王卡（强尼•戴普饰）是一位伟大的巧克力发明人和制造商，经营着全世界最大的巧克力工厂——王卡巧克力工厂。那是座神秘的工厂，大门紧锁，15年来，从来没有看见有工人从大门进去或出来过，可是却能闻到浓郁的巧克力香味。工厂出产的旺卡牌巧克力销往世界各地，深受孩子们的喜爱。有一天，威利•旺卡先生贴出告示：他在出产的巧克力里面埋藏了五张金券，谁吃到了，就有机会参观工厂，还能得到足够吃一辈子的巧克力糖和其他糖果。小孩子们疯狂抢购，最终五个小客人成为幸运儿。其中有一个小客人叫查理（弗莱迪•海默饰），家庭非常贫寒，在经历两次失败后，他发现了最后一张金券，巧克力工厂的大门因此为他打开。五个孩子开始在这个魔幻工厂中冒险，吸引他们的除了神奇壮观的巧克力制造世界之外，还有威利•王卡的“神秘礼物”……
查理·巴克特是一个善良、充满爱心的男孩，他和家人住在旺卡工厂附近的贫困家庭。该公司的老板威利·旺卡（Willy Wonka）因工业间谍问题而长期对公众关闭了工厂，这也导致他的所有员工，包括查理的爷爷乔在内，都失业了。与此同时，查理的父亲最近被解雇了自己在牙膏厂的工作，尽管他没有向查理承认这一点。
有一天，旺卡宣布举办一场竞赛，在全球随机的五家旺卡酒吧中放置金奖券，获胜者将获得工厂的完整参观以及终身供应的巧克力，而获胜者将获得额外的奖品游览结束。随后旺卡的销量猛增，前四张门票被贪吃的奥古斯塔斯·格卢普、被宠坏的维鲁卡·索尔特、傲慢的维奥莱特·博雷加德和脾气暴躁的迈克·蒂维找到。查理两次尝试找票，但两块酒吧都空了。无意中听说最后一张门票是在俄罗斯找到的，查理找到一张钞票并购买了第三块旺卡巧克力棒。当查理在包装纸内发现真正的门票时，俄罗斯门票被揭露为伪造的。他收到了门票的报价，但收银员警告他无论如何都不要交易，查理跑回家了。在家里，查理最初想用这张门票换取金钱来改善家人的生活，但在乔治爷爷的一番鼓舞人心的讲话后，他决定保留这张门票，并带着乔爷爷陪他巡演。
旺卡在工厂外迎接查理和其他持票人，然后旺卡带领他们进入工厂。个人性格缺陷导致其他四个孩子屈服于诱惑，导致他们被排除在巡演之外，而旺卡的新员工 Oompa -Loompas在每个孩子结束后都会唱一首道德之歌。与此同时，旺卡回忆起他坎坷的过去，以及他的牙医父亲威尔伯如何严格禁止他吃任何糖果。偷偷吃了一块糖果后，旺卡立即上瘾并离家出走去追寻自己的梦想。然而，当他回来时，他的父亲和他们的房子都不见了。
参观结束后，四名被淘汰的孩子带着与被淘汰有关的夸张特征或畸形离开了工厂，而查理得知即将退休的旺卡打算寻找一个有价值的继承人。由于查理是五个人中行为最不乖的一个，旺卡邀请查理来工厂和他一起生活和工作，前提是他离开家人。查理拒绝了，因为他的家庭是他生命中最重要的事情。
随着查理和家人的生活改善，旺卡变得沮丧，导致他的公司和销售额下降。他最终向查理寻求建议，并决定帮助旺卡与关系疏远的父亲威尔伯和解。在重聚期间，查理注意到威尔伯收集了旺卡成功的剪报，而旺卡在与威尔伯最终和解时意识到了家庭的价值。随后，旺卡允许查理一家人一起搬进工厂。