Cậu bé 11 tuổi Charlie Bucket sống trong một ngôi nhà bé xíu với bố mẹ và bốn ông bà. Ông bà của cậu phải nằm chung trên chiếc giường duy nhất trong phòng ngủ duy nhất của căn nhà. Charlie và bố mẹ phải nằm trên nệm đặt dưới nền nhà. Mỗi năm một lần vào ngày sinh nhật của mình, Charlie nhận được một thanh sô-cô-la Wonka mà cậu luôn cố gắng để dành trong nhiều tháng sau đó.

Willy Wonka, chủ nhà máy sô-cô-la Wonka, bất ngờ quyết định mở cửa đón năm em nhỏ cùng cha mẹ chúng tới thăm nhà máy sau 10 năm không có bất cứ tiếp xúc với bên ngoài, bởi những công ty đối thủ liên tục đánh cắp công thức của ông. Để chọn ra người sẽ được vào nhà máy đồng thời được cung cấp sô cô la trọn đời, ngài Wonka giấu năm chiếc vé vàng trong những tờ giấy gói các thanh sô-cô-la Wonka. Cuộc truy tìm chủ nhân năm tấm vé vàng tỏ ra hết sức quyết liệt. Bất cứ ai tìm được nó đều trở thành trung tâm chú ý của báo chí. Bốn tấm vé đầu tiên lần lượt tìm ra chủ nhân của nó: cậu bé béo phì Augustus Gloop, cô bé hư và nóng nảy Veruca Salt, cô bé nghiện kẹo cao su Violet Beauregarde, và cậu bé nghiện ti-vi Mike Teavee.

Một ngày nọ, Charlie nhìn thấy một đồng 50 xu (tờ 1 đôla trong phiên bản Mỹ) nằm lẫn trong tuyết. Cậu quyết định sử dụng một ít tiền để mua sô cô la còn phần còn lại sẽ mang về cho mẹ. Cậu mua hai thanh, và sau khi bóc thanh sôcôla thứ hai, Charlie tìm thấy chiếc vé vàng thứ năm. Và trùng hợp là ngày hôm sau cũng chính là ngày mà ngài Wonka mở cửa đón khách.

Charlie và ông nội Joe tận hưởng khung cảnh, âm thanh, hương vị của nhà máy và gặp những người Oompa-Loompa, một chủng tộc tí hon đã và đang giúp ông Wonka vận hành nhà máy kể từ khi ông cứu họ khỏi những nối sợ hãi và nghèo khó ở Loompaland. Những đứa trẻ đồng hành cùng Charlie lần lượt bị buộc phải dừng chuyến tham quan nhà máy vì những lý do hài hước, bí ẩn và đau đớn. Augustus Gloop bị rơi xuống Sông Chocolate sau khi cố gắng cúi xuống uống nước sông và bị hút ngược lên ống dẫn nước. Violet Beauregarde ham hố ăn thử một miếng kẹo cao su vẫn trong giai đoạn thử nghiệm và bị biến thành quả việt quất xanh khổng lồ. Veruca Salt bị những con sóc phân loại hạt coi là "hạt hỏng" nên bị chúng ném vào thùng rác. Mike Teavee bị teo nhỏ và mắc kẹt trong một chiếc tivi. Sau khi kết thúc hành trình, bốn đứa trẻ có cho riêng mình một diện mạo mới: Augustus bị chiếc ống ép cho thành gầy nhom; da của Violet biến thành màu tím; khắp người Veruca toàn rác là rác; còn Mike thì cao tới 10 feet (hơn 3 mét) và mảnh như sợi dây vì nhầm lẫn trong quá trình hồi phục hình dạng của cậu.

Lúc này, khi chỉ còn mình Charlie, Willy Wonka chúc mừng cậu vì đã là người "giành được" nhà máy này. Ông tiết lộ tuổi thật của mình cũng như lý do đằng sau những chiếc vé vàng, đồng thời tuyên bố Charlie sẽ là người kế tục ông vận hành nhà máy. Họ cùng nhau đi tới nhà Charlie bằng chiếc thang máy thủy tinh và đưa toàn bộ gia đình của Charlie tới sống tại nhà máy.

Nội dung tiếp theo của câu chuyện được viết trong cuốn Charlie and the Great Glass Elevator (Charlie và chiếc thang máy thủy tinh vĩ đại).