Charlie Bucket (Freddie Highmore) wohnt mit seinen bitterarmen Eltern (Helena Bonham Carter, Noah Taylor) und seinen bettlägrigen Großeltern (David Kelly, Liz Smith, Eileen Essell, David Morris) im einzigen Raum eines verfallenen, windschiefen Häuschens. Nur zum Schlafen hat er ein eigenes Refugium – auf dem zugigen Dachboden. Aus Geldmangel kann Mrs Bucket die Familie nur mit Kohlsuppe verköstigen, und als Charlies Vater als Fließbandarbeiter in einer Zahnpasta-Fabrik durch einen feuerroten Roboter ersetzt wird, droht die Not noch größer zu werden. Zum Glück für die Großfamilie stellt sich bald darauf heraus, dass der Roboter immer wieder repariert werden muss, und Mr Bucket erhält wieder einen Job.

Opa Joseph hatte früher in der nahen Schokoladenfabrik von Willy Wonka gearbeitet, die einmal die größte der Welt gewesen war, aber vor langer Zeit geschlossen wurde. Weil die Geheimrezepte Willy Wonkas ausspioniert und von Konkurrenzunternehmen nachgemacht worden waren, hatte sich der Betrieb nicht mehr gelohnt. Seit einiger Zeit rauchen die Schornsteine zwar wieder, aber man sieht keine Arbeiter hineingehen oder herauskommen.

Eines Morgens hängen in allen Städten der Welt Plakate, aus denen hervorgeht, dass Willy Wonka fünf Kinder mit jeweils einem erwachsenen Begleiter zur Fabrikbesichtigung einlädt. Die goldenen Eintrittskarten seien fünf Tafeln Wonka-Schokolade beigelegt worden, heißt es.

Die erste der Karten wird von Augustus Glupsch (Philip Wiegratz) in Düsseldorf gefunden, dem dicken Sohn einer ebenfalls übergewichtigen Mutter (Franziska Troegner), der den ganzen Tag lang gierig Schokolade isst und ständig das Gesicht damit verschmiert hat.

Um seiner verwöhnten, habgierigen Tochter Veruca (Julia Winter) eine goldene Eintrittskarte zu beschaffen, kauft der Londoner Industrielle Mr Salt (James Fox) hunderttausende Tafeln Wonka-Schokolade und lässt von seinen Fabrikarbeiterinnen die Verpackungen aufreißen – solange, bis eine der Karten gefunden wird, denn er weiß, dass Veruca einen Wutanfall bekommt, wenn ihre Wünsche nicht erfüllt werden.

Die arrogante Violet Beauregarde (AnnaSophia Robb), die von ihrer Mutter (Missi Pyle) zur Gewinnerin erzogen wird und einen Siegerpokal nach dem anderen gewinnt – sie ist beispielsweise Weltmeisterin im Kaugummi-Kauen –, bekommt die dritte Eintrittskarte.

Die vorletzte Karte fällt an Mike Teavee (Jordan Fry), einen destruktiven und besserwisserischen Freak von Videospielen, der behauptet, es sei mit ein paar Algorithmen ganz einfach gewesen, eine der Eintrittskarten zu finden. Sein Vater (Adam Godley) versichert den Journalisten, er verstehe seinen Sohn längst nicht mehr.

In der Hoffnung, Charlie eine der fünf Karten zu verschaffen, schenkten Mr und Mrs Bucket ihrem Sohn vorzeitig zum Geburtstag eine Tafel Wonka-Schokolade, aber darin war keine Karte. Großvater Joseph gibt Charlie seine heimlichen Ersparnisse, damit dieser eine zweite Tafel Schokolade kaufen kann. Aber auch dieser Versuch scheitert. In den Nachrichten heißt es, dass die fünfte Karte in Russland entdeckt wurde, aber dabei handelt es sich um eine Fälschung. Als Charlie auf der Straße einen Dollar findet, kauft er rasch noch eine weitere Tafel Wonka-Schokolade – und als er sie aufreißt, kommt eine goldene Einladungskarte zum Vorschein. Zufällig anwesende Kunden bieten Charlie dafür 500 Dollar, aber der Krämer (Oscar James) rät ihm, rasch mit der Karte heimzulaufen.

Zu Hause meint Charlie, es sei wohl besser, auf die Besichtigung der Schokoladenfabrik zu verzichten und die Karte zu verkaufen, um die Not der Großfamilie zu lindern, aber Großvater George erklärt ihm, dass man etwas so Seltenes wie eine der fünf goldenen Eintrittskarten für die Schokoladenfabrik nicht für etwas so Banales wie Geld eintauschen sollte.

Zum angegebenen Zeitpunkt finden sich die Gewinner mit ihren Begleitpersonen ein. Charlie hat seinen Großvater Joseph mitgebracht.

Willy Wonka (Johnny Depp) führt die Gruppe durch traumhafte bunte Räume, in denen alles essbar ist. Flüsse und Wasserfälle sind aus flüssiger Schokolade. Als Arbeiter beschäftigt Willy Wonka Umpa-Lumpas (alle von Deep Roy gespielt), zwergenkleine Wesen, die er bei einer Dschungelexpedition entdeckt hatte. Die Umpa-Lumpas essen für ihr Leben gern Kakaobohnen und verehren sie wie eine Gottheit. Da Kakaobohnen im Dschungel sehr selten sind, hatten sie freudig den Vorschlag ihres Besuchers angenommen, in seiner Schokoladenfabrik zu arbeiten.

Es dauert nicht lang, bis Augustus in seiner Gier in einen Schokoladenfluss fällt, zu ertrinken droht und durch ein Rohr abgesaugt wird. Willy Wonka beauftragt einen Umpa-Lumpa, Mrs Glupsch bei der Suche nach ihrem Sohn zu helfen.

Als Violet die neuartigen Kaugummis sieht, von denen jeder ein dreigängiges Menü enthält, steckt sie sofort einen in den Mund, obwohl Willy Wonka ihr davon abrät, weil das Produkt noch nicht ausgereift ist. Violet bestaunt die verschiedenen Geschmäcker von Tomatensuppe, Rinderbraten und Blaubeeren, aber dann verfärbt sie sich blau und quillt zu einer riesigen Blaubeere auf und rollt davon. Mrs Beauregarde eilt ihr besorgt nach.

In einem Saal, in dem hunderte von Eichhörnchen die Nüsse für die Nussschokolade knacken und hohle Nüsse in den Abfallschacht werfen, verlangt Veruca von ihrem Vater, dass er ihr auf der Stelle eines der possierlichen Tiere besorgt, und als Willy Wonka kategorisch erklärt, die Eichhörnchen seien nicht verkäuflich, klettert sie über die Absperrung, um sich einfach einen der Nager zu holen. Doch die Eichhörnchen stürzen sich auf sie, stellen fest, dass es sich bei ihr um eine hohle Nuss handelt und befördern sie mit vereinten Kräften in den Abfallschacht, in den auch Mr Salt stürzt, als er seiner Tochter zu Hilfe eilt.

In einem der nächsten Räume führt Willy Wonka vor, wie sich eine Tafel Schokolade in winzige Teilchen zerlegen und durchs Fernsehen so übertragen lässt, dass sie in stark verkleinertem Maßstab wieder zusammengesetzt werden kann. Mike behauptet, Willy Wonka verstehe nicht einmal den Unterschied von Wellen und Teilchen – und lässt sich von der Vorrichtung auflösen. Zwar taucht er im Fernsehen wieder auf, ist jedoch nur noch so klein wie eine Maus. Willy Wonka schickt deshalb seinen Vater mit ihm zu der Abteilung, in der Kaugummis in die Länge gezogen werden.

Wenn Sie noch nicht erfahren möchten, wie es weitergeht,
überspringen Sie bitte vorerst den Rest der Inhaltsangabe.

Von den Besuchern sind also nur noch Charlie und sein Großvater Joseph übrig. Willy Wonka bringt die beiden mit einem gläsernen Fahrstuhl nach Hause und erklärt Charlie zum Gewinner eines Sonderpreises: Der Junge soll die Schokoladenfabrik erben. Als Besitzer der Schokoladenfabrik muss er allerdings seine Familie verlassen. Charlie hätte zwar gern die Schokoladenfabrik, aber seine Familie ist ihm noch wichtiger. Deshalb lehnt er das Angebot ab.

Weil Willy Wonka sich schlecht fühlt, schmeckt auch seine Schokolade nicht mehr, und der Absatz bricht ein. Da nimmt er noch einmal Kontakt mit Charlie auf. Der hilft ihm zu begreifen, dass ein Kindheitstrauma die Ursache seiner Einsamkeit und seines Unglücklichseins ist: Willy Wonkas Vater (Christopher Lee) ist Zahnarzt. Er hatte seinem Sohn (Willy Wonka als Kind: Blair Dunlop) nicht nur eine monströse Zahnspange eingesetzt, sondern ihm auch alle Süßigkeiten untersagt. Deshalb wurde Schokolade für Willy Wonka zur Obsession. – Charlie begleitet Willy Wonka zu dessen Vater, und die beiden versöhnen sich.

Daraufhin geht es Willy Wonka endlich gut, und damit Charlie sein Erbe antreten kann, versetzt er das Häuschen der Familie Bucket mitten in die Schokoladenfabrik. Willy Wonka hat verstanden, dass es falsch war, sich von der Welt abzukapseln.