Charlie Bucket é um garoto pobre que vive com os pais (Senhor e Senhora Bucket) e avós (Joe, Georgina, Josephine e George Bucket) numa pequena e miserável casa (provavelmente em Londres). Ele é um grande fã de chocolate, do qual ganha apenas uma barra no dia de seu aniversário, da marca do maior fabricante de chocolate do país: Willy Wonka, cuja enorme e enigmática fábrica está situada bem perto de sua humilde casa.

A família tem trabalhado muito desde que o pai de Charlie, Senhor Bucket (Noah Taylor) perdeu seu emprego na fábrica de pasta de dentes da cidade. Eis que Willy Wonka lança uma estranha promoção: em suas Barras de Chocolate Wonka foram colocados cinco convites dourados, que davam a quem os achasse o direito de passar um dia visitando a fábrica. Charlie, então, abre seu presente de aniversário mais cedo, mas não consegue encontrar o Convite Dourado.

• A primeira criança a encontrar o convite dourado é Augustus Gloop, que mora em Düsseldorf, Alemanha. Era de se esperar que Augustus ganhasse o convite dourado, já que come muitas barras por dia.
• A segunda pessoa a achar o convite foi Veruca Salt, residente de Buckinghamshire, Inglaterra. Veruca é mimada e atazanou o pai para conseguir o convite. Ela conseguiu com as empregadas da fábrica de nozes do senhor Salt.
• A terceira ganhadora foi Violet Beauregarde que vive em Atlanta, Geórgia, e que com apenas 10 anos, tem 263 troféus e medalhas. Do que ela parece mais gostar é de seu recorde mundial de mascar chicletes.
• O quarto ganhador foi Mike Teavee, que mora no Denver, Colorado. Mike é um garoto prepotente, mal-humorado e metido a sabe-tudo, além de ser viciado em televisão e videogames e não mostra nenhum interesse por ter conseguido o convite dourado. O menino encontrou o convite precisando comprar apenas um chocolate, embora deteste chocolate, o que torna um enigma o porquê de querer visitar a fábrica.

Ao que parecia, o último convite foi achado por uma pessoa da Rússia, mas descobriu-se que o convite era falso, exatamente na hora em que Charlie encontrava o último convite e saía correndo para a casa de seus pais. Uma mulher ofereceu 500 dólares de presente para Charlie em troca do convite, mas o dono da loja onde Charlie comprou a barra mandou-a e a outro interesseiro deixá-lo em paz, dizendo a ele não dar o convite a ninguém.

Charlie iria dar o convite para a mulher ou outro que aceitasse pagar bem por ele, mas por insistência de seu vovô George, que embora fosse resmungão mostra-se um homem sensato, resolveu não dar o convite, e ir à fábrica acompanhado de seu avô Joe, que já havia trabalhado na fábrica há muitos anos. O horário de comparecimento à fábrica era às 10 horas da manhã.

Na Fábrica de Chocolate de Wonka, as crianças conhecem Willy Wonka e seus estranhos empregados, os Oompa-Loompas de apenas cerca de 30 centímetros de altura. Na fábrica, cada uma das crianças egoístas recebe um castigo e uma música, composta pelos Oompa Loompas.

• O primeiro a ir embora é Augustus Gloop, que se afoga no rio de chocolate na sala do chocolate, sendo sugado por um cano.
• A segunda é Violet Beauregarde, que mascou um chiclete que não estava pronto na importante sala de invenções, virando uma amora gigante.
• A terceira é Veruca Salt, que foi atacada por esquilos na sala de nozes e empurrada para o incinerador.
• O quarto é Mike Teavee na sala que ele próprio escolheu, a sala de televisão. Ele se teletransportou para a televisão, porém, ficou minúsculo. Só sobrou Charlie.

Charlie ganhou a Fábrica, mas a recusou, já que não poderia levar sua família. O jovem garoto ajudou Willy Wonka a resolver os problemas com seu pai, o Dr. Wilbur Wonka (Christopher Lee), que exageradamente proíbia Willy Wonka de comer doces quando ele era criança. No fim, Charlie ganhou a Fábrica de Chocolate e Willy Wonka, uma família.