צ'ארלי (פיטר אוסטרום) הוא ילד עני שחי עם משפחתו בצניעות ובפשטות. חייו משתנים כשזוכה במפתחות זהב יקרים, המאפשרים לו להיכנס למפעל השוקולד הענק של וילי וונקה (ג'ין ויילדר), האיש המסתורי והקסום שמחזיק במפעל השוקולד הגדול והמרהיב ביותר בעולם. יחד עם ארבעה ילדים נוספים, כל אחד עם אופי שונה ומיוחד, צ'ארלי יוצא לסיור במפעל מלא הפתעות, טעמים וצבעים. במהלך הסיור, הילדים מתמודדים עם אתגרים שונים שמציג וונקה, שמטרתם לבדוק את אופיים ואת התנהגותם.
המפעל עצמו הוא עולם של פלאות: נהרות שוקולד, ממתקים שלא נראו כמותם, ומכונות מופלאות שמייצרות כל טוב. וילי וונקה, דמות מסתורית וקסומה, מלווה את הילדים בסיור, אך גם משמש כשופט שקט שמביט בהתנהגותם ומחליט מי ראוי להמשיך הלאה. כל ילד מביא איתו את התכונות והחולשות שלו, והמפעל הופך למעין מבחן מוסרי שבו צ'ארלי, ילד פשוט וצנוע, מצליח לבלוט בזכות לבו הטוב. המסע במפעל השוקולד הוא לא רק חוויה של טעמים וצבעים אלא גם שיעור בחיים על ערכים כמו יושר, סבלנות וצניעות. בסופו של דבר, צ'ארלי מתגלה כמי שראוי להמשיך את דרכו של וילי וונקה ולהפוך ליורש המפעל הקסום, מה שמסמן עבורו פרק חדש ומלא תקווה בחייו. המפעל, עם כל קסמיו, הוא מבחן לא פשוט שבו העתיד של צ'ארלי עומד על הכף. צ'ארלי, עם לב טהור ואופי צנוע, מצליח לעבור את כל המבחנים שהמפעל מציב בפני הילדים האחרים שנכשלים בשל תכונותיהם השליליות. וילי וונקה מגלה לו כי כל ההרפתקה הייתה מבחן לבחירת יורש ראוי למפעלו, וכעת הוא מעניק לו את המפעל כולו. צ'ארלי ומשפחתו מתכוננים לעתיד חדש ומלא הזדמנויות, כשהמפעל הקסום ממשיך להוות מקור להשראה ולחלומות.
