W niewielkim, ciasnym domku na skraju dużego miasta mieszkał Charlie Bucket z rodzicami oraz czwórką dziadków - Joe i Josephine oraz Georgiem i Georginią. Byli bardzo biedni i codziennie jedli to samo (chleb z margaryną, kapuśniak, ziemniaki). Największym marzeniem Charliego była czekolada, jednak dostawał tylko jedną tabliczkę w dniu urodzin.
Dziadek Joe opowiadał chłopcu o największej na świecie fabryce czekolady pana Wonki, która znajdowała się w ich mieście. Jej właściciel był czarodziejem i z czekolady potrafił zrobić wszystko (pianki o smaku fiołków, gumę, która nie traciła smaku, lody, które się nie rozpuszczały). Pewnego razu wybudował nawet hinduskiemu księciu czekoladowy pałac, jednak pod wpływem słońca budowla roztopiła się. Nie wiadomo, kto pracował w fabryce, ponieważ nikt z niej nie wychodził i do niej nie wchodził.
Willy Wonka ogłosił konkurs dla piątki szczęśliwych dzieci, które w opakowaniu czekolady odnajdą Złoty Talon. Nagrodą miało być zwiedzanie fabryki i zapas słodyczy na całe życie. Pierwszymi zwycięzcami byli otyły dziewięcioletni Augustus Gloop oraz córka bogacza, zarozumiała i rozpuszczona Veruca Salt. W dzień urodzin Charlie dostał swą czekoladę, jednak ku rozczarowaniu całej rodziny nie było w niej Talonu. Prasa doniosła o kolejnych szczęśliwych znalazcach. Byli to: wiecznie żująca gumę, złośliwa Violet Beauregarde oraz telewizyjny maniak Mike Teavee.
Dziadek Joe ofiarował w tajemnicy wnukowi pieniądza na zakup czekolady, jednak i w niej nie było Złotego Talonu. Rodzina Charliego zaczęła głodować, ponieważ ojciec stracił pracę. Pewnego dnia, gdy chłopiec wracał ze szkoły znalazł pieniądze. W pobliskim sklepie kupił najpierw jedną czekoladę, którą natychmiast zjadł, a następnie drugą – w niej był Złoty Talon. Na nim widniało zaproszenie do fabryki na wycieczkę, która miała się odbyć nazajutrz. Postanowiono, by Charliemu towarzyszył dziadek Joe.
Przed wejściem do fabryki zebrał się tłum gapiów, a wśród nich pięcioro znalazców. O dziesiątej pan Wonka zaprosił gości i ich opiekunów do środka. Długim, krętym korytarzem podążyli w dół (większa część fabryki znajdowała się pod ziemią) do Hali Czekoladowej. Miejsce to przypominało cudowną dolinę z bujną łąką i wijącą się czekoladową rzeką. Dzięki wodospadowi była ona odpowiednio spieniona. Wielkie rury wysyłały ją do całej fabryki. Goście zauważyli niewielkie ludziki – Umpa-Lumpy. Byli to członkowie plemienia, które w dżungli odnalazł pan Wonka. Żywili się gąsienicami, jednak uwielbiali ziarna kakaowe. Zgodzili się przenieść do fabryki i pracować przy produkcji słodyczy. Lubili muzykę, śpiew i żarty.
Okazało się, że niepilnowany Augustus zaczął chłeptać czekoladę z rzeki i przez nieuwagę wpadł do środka. Wessała go wielka rura i przeniosła do wytwórni pianek truskawkowych w czekoladowej polewie, gdzie na ratunek wraz z Umpa-Lumpą podążyli rodzice chłopca. Umpa-Lumpy zaintonowały pieśń o łakomstwie małego Gloopa i o jego przemianie. Pozostali goście landrynkową łodzią udali się na przejażdżkę po czekoladowej rzece. W tunelu po zapaleniu świateł widzieli wiele magazynów z półproduktami do produkcji słodyczy. Łódź zatrzymała się przy Hali Wynalazków.
Pan Wonka uprzedził, by niczego nie dotykać. W tej hali powstawały eksperymentalne rodzaje słodyczy, takie jak sto dropsy (dropsy, które mimo ssania nie malały czy włosiane toffi wpływające na porost włosów. Na środku hali stała ogromna maszyna, która po zmieszaniu wielu składników produkowała gumę do żucia. Ostatnim odkryciem Wonki był posiłek żucio-gumowy - guma zawierająca cały obiad. Mimo ostrzeżeń Violet skosztowała gumy. Poczuła smak zupy pomidorowej, befsztyka, a następnie placka jagodowego. W tym momencie zaczęła przybierać kolor na fioletowy, a następnie puchnąć. W końcu wyglądała jak przeolbrzymia jagoda. Pan Wonka zawołał dziesięciu Umpa-Lumpów, którzy zabrali Violet do Hali Soczystej, by wycisnąć z niej sok. Jej rodzice podążyli za nimi, a Umpa-Lumpy zaśpiewały historię pewnej panny, która wciąż żuła gumę.
Pozostali ruszyli korytarzem mijając pokoje, w których produkowano tajemnicze rodzaje słodkości. Na jednych z nich widniał napis: „Grzeczne cukierki oczekują nagości”. Okazało się jednak że małe cukierki z domalowanymi twarzami „oczekują na gości”. Na odpoczynek zatrzymali się przy Hali Orzechowej, w której sto wiewiórek rozłupywało orzechy. Veruca za wszelką cenę chciała dostać jedną z wiewiórek, gdy jednak okazało się, że ojciec nie może jej kupić wtargnęła do środka. Wiewiórki rzuciły się na nią, a uznając, że ma pustą głowę wrzuciły do otworu na śmieci. Podobnie postąpiły z jej rodzicami. Rozbrzmiała kolejna pieść Umpa-Lumpów o tym, co czeka Veruce w otworze na śmieci, zaś za jej krnąbrne wychowanie winią rodziców.
Pozostali zwiedzający w dalszą podróż udali się specjalną szklaną windą, która mogła przemieszczać się we wszystkie strony. W środku widniały setki przycisków. Mike Teavee zdecydował, by udać się do Hali Czekolady Telewizyjnej, gdzie również nie można było niczego dotykać. Wewnątrz bardzo jasnego pomieszczenia znajdowała się kamera telewizyjna i ekran. Pan Wonka zademonstrował, jak można, podobnie jak obraz telewizyjny, wyemitować czekoladę. Jednak jej rozmiar na początku był dużo większy niż na końcu. Mike postanowił być pierwszą osobą emitowaną przez telewizję. Eksperyment spowodował, że stał się liliputem. Wraz z rodzicami i Umpa-Lumpami udał się do maszyny wyciągającej, by powrócić do normalnych rozmiarów. Robotnicy pana Wonki zaśpiewali pieśń o szkodliwości telewizji i wyższości czytania książek.
Pan Wonka zorientowawszy się, że pozostał tylko Charlie pogratulował mu zwycięstwa. Wraz z nim i jego dziadkiem udał się windą ponad fabrykę. Obserwowali całe miasto oraz pozostałe dzieci, które opuszczały fabrykę - odchudzonego Augustusa, Violet z fioletową twarzą, całych w śmieciach państwa Salt z córką i przesadnie „wyciągniętego” Mikea. Winda ponownie ruszyła. Pan Wonka zakomunikował, że pragnie oddać swą fabrykę na własność Charliemu, ponieważ czuje się stary. Ten zgodził się, pod warunkiem, że zabierze wraz z sobą rodzinę. Winda przez dach wjechała do domku Charliego i mimo protestów zabrała rodzinę do nowego miejsca.