찰리는 작고 허름한 집에서 네 명의 조부모, 부모와 함께 사는 소년이다. 초콜릿을 좋아하지만, 집이 가난하여 일 년에 한 번 오는 생일에만 먹을 수 있다. 그러던 어느 날, 세상에서 가장 큰 초콜릿 공장의 주인 윌리 웡카가 놀라운 소식을 발표한다. 다섯 개의 초콜릿 속에 숨겨 놓은 황금빛 초대장을 찾아내는 어린이들에게 여태 공개하지 않았던 초콜릿 공장을 견학하게 해 주고, 평생 먹고 남을 초콜릿과 사탕을 준다고 말이다. 찰리는 기적적으로 다섯 번째 황금빛 초대장을 얻고 조 할아버지와 함께 공장에 간다. 찰리는 일행과 함께 윌리 웡카를 따라다니며 거대한 초콜릿 공장에서만 볼 수 있는 진기한 광경을 목격한다. 그리고 그곳에서 비밀스럽게 일해 온 움파룸파 사람들도 만나게 된다. 하지만 시간이 갈수록 찰리를 제외한 네 명의 어린이는 말썽을 일으켜 결국 견학 중간에 불의의 사고(?)를 당한다. 윌리 웡카는 마음씨 착하고 생각도 깊은 찰리에게 감동해 자신의 초콜릿 공장을 준다고 말한다. 찰리가 집에 있는 가족들을 걱정하자 윌리 웡카는 찰리, 조 할아버지와 거대한 유리 엘리베이터를 타고 찰리 집으로 간다.