Nuori Charlie Bucket elää köyhyydessä vanhempiensa ja isovanhempiensa kanssa talossa lähellä upeaa suklaatehdas, jonka omistaa eksentrinen Willy Wonka. Perheen rajallisista resursseista huolimatta Charlie on hyväsydäminen ja rakastaa kyltymätöntä suklaata.
Eräänä päivänä herra Wonka ilmoittaa järjestävänsä kilpailun, jossa viidelle lapselle annetaan opastettu kierros hänen salaperäisessä suklaatehtaassaan. Golden Tickets on piilotettu Wonkan suklaapatukoihin maailmanlaajuisesti, ja Charlie haaveilee sellaisen löytämisestä.
Charlie on poikkeuksellisen onnekas ja löytää kultaisen lipun suklaapatukkastaan. Hän liittyy neljän muun lapsen kanssa, joilla kullakin on omat persoonallisuutensa ja omituisuutensa, elämänsä kiertueelle. Mr. Wonka opastaa heidät erilaisten taianomaisten ja fantastisten huoneiden läpi tehtaalla, mukaan lukien suklaahuone, keksimishuone ja pähkinähuone.
Tutkiessaan muut lapset tehtaan ihmeiden houkuttelemina sortuvat erilaisiin vastoinkäymisiin. Augustus Gloop putoaa suklaajokeen, Veruca Salt vaatii Oompa-Loompaa annettavaksi hänelle lemmikiksi, Violet Beauregarde pureskelee kokeellista purukumia, joka muuttaa hänestä mustikan, ja Mike Teavee miniatyytyy televisioon astuttuaan.
Charlie pysyy ystävällisenä, rehellisenä ja hyvin käyttäytyvänä koko kiertueen ajan ja esittelee hyvää luonnettaan. Hän ystävystyy Oompa-Loompien kanssa, jotka ovat tehtaan työntekijöitä, ja herra Wonka ihastuu häneen.
Yllättävässä tapahtuman käänteessä herra Wonka paljastaa, että tehdaskierroksen todellinen tarkoitus oli löytää sopiva perillinen suklaaliiketoiminnalle. Charlie tulee valituksi rehellisyytensä ja ystävällisyytensä ansiosta.
"Charlie ja suklaatehdas" on klassinen lastenromaani, joka yhdistää fantasiaa, mielikuvitusta ja moraalisia oppitunteja. Se tutkii sellaisia teemoja kuin ystävällisyys, ahneus ja hyvien luonteenpiirteiden tärkeys.