Unge Charlie Bucket lever i fattigdom sammen med sine forældre og bedsteforældre i et hus nær en storslået chokoladefabrik ejet af den excentriske Willy Wonka. På trods af familiens begrænsede ressourcer er Charlie venlighjertet og har en umættelig kærlighed til chokolade.
En dag annoncerer Mr. Wonka, at han afholder en konkurrence, hvor fem børn vil få en guidet tur på hans mystiske chokoladefabrik. Gyldne billetter er gemt inde i Wonkas chokoladebarer verden over, og Charlie drømmer om at finde en.
Charlie er ekstraordinært heldig og finder en gylden billet i sin chokoladebar. Han slutter sig til de fire andre børn, hver med særskilte personligheder og særheder, på sit livs tur. Mr. Wonka guider dem gennem forskellige magiske og fantastiske rum på fabrikken, inklusive Chokoladerummet, Opfinderrummet og Nødderummet.
Mens de udforsker, bukker de andre børn, fristet af fabrikkens vidundere, under for forskellige uheld. Augustus Gloop falder i en chokoladeflod, Veruca Salt kræver, at hun får en Oompa-Loompa som kæledyr, Violet Beauregarde tygger et eksperimentelt tyggegummi, der forvandler hende til et blåbær, og Mike Teavee bliver miniaturiseret efter at være kommet ind i et fjernsyn.
Charlie forbliver venlig, ærlig og velopdragen under hele turen og viser sin gode karakter. Han bliver ven med Oompa-Loompas, som er arbejderne på fabrikken, og Mr. Wonka bliver glad for ham.
I en overraskende udvikling afslører Mr. Wonka, at det egentlige formål med fabriksrundvisningen var at finde en passende arving til at overtage chokoladebranchen. Charlie fremstår som den udvalgte på grund af hans kvaliteter af ærlighed og venlighed.
"Charlie og chokoladefabrikken" er en klassisk børneroman, der kombinerer elementer af fantasi, fantasi og moralske lektioner. Den udforsker temaer som venlighed, grådighed og vigtigheden af gode karaktertræk.