전 세계 누구에게나 사랑 받는 세계 최고의 초콜릿 공장인 '윌리 웡카 초콜릿 공장'. 매일 엄청난 양의 초콜릿을 생산해 세계 각국으로 운반하고 있지만 그 누구도 공장을 드나 드는 사람을 본 적이 없는 비밀의 공간이다. 공장보다 더 신비로운 수수께끼는 초콜릿 공장의 공장장인 윌리 웡카(조니 뎁)라는 인물. 들리는 소문에 의하면 웡카는 몇 년 동안 공장 밖으로 나가본 적도 없다고 한다. 그가 어떤 사람이고, 왜 초콜릿 만드는 일에 모든 것을 걸고 있는지 모두들 궁금해 할 뿐이다. 어느 날, 윌리 웡카가 5개의 웡카 초콜릿에 감춰진 행운의 '황금티켓'을 찾은 어린이 다섯 명에게 자신의 공장을 공개하고 그 모든 제작과정의 비밀을 보여주겠다는 선언을 한다. 이제 전 세계 어린이들은 황금티켓을 찾기 위한 노력을 시작한다. 엄마, 아빠, 할머니, 할아버지들과 함께 초콜릿 공장 바로 옆, 다 쓰러져 갈듯한 작은 오두막집에서 살고 있는 찰리(프레디 하이모어) 역시 초콜릿 공장에 가고 싶은 건 마찬가지. 찰리는 매일 밤 잠들기 전 공장 안이 어떻게 생겼을 지를 상상하며 잠이 들곤 했다. 하지만 찰리는 1년에 단 한번, 자신의 생일에 딱 한 개의 웡카 초콜릿을 먹을 수 있기 때문에 당첨될 확률은 거의 희박했다. 한편, 세계 각국에서 행운의 당첨자들이 속속 나타나기 시작했다. 첫 번째 당첨자는 독일의 먹보 소년 아우구스투스. 언제나 초콜릿을 입에 달고 사는 소년이다. 두 번째 행운은 뭐든지 원하는 건 손에 넣어야 직성이 풀리는 부잣집 딸 버루카에게, 세 번째는 껌 씹기 대회 챔피언인 바이올렛에게 돌아간다. 네 번째 주인공인 마이크는 자신이 얼마나 똑똑한지를 세상에 과시하기 위해 도전에 응해 목적을 달성한 집념의 소유자다. 그리고 마지막!! 눈 쌓인 거리에서 우연히 돈을 주워 웡카 초콜릿을 산 찰리가 다섯 번째 황금 티켓을 발견한 주인공이 되었다!! 웡카의 초콜릿 공장에 들어간 찰리는 눈앞에 펼쳐지는 놀라운 광경들에 입을 다물지 못한다. 한쪽엔 초콜릿 폭포가 흐르고 그 옆에선 쾌활한 움파 룸파 족들이 거대한 초콜릿 과자 산에 삽질을 하거나, 용머리 모양을 한 설탕 보트를 타고 초콜릿 강을 건너간다. 초콜릿 강가에는 꽈배기 사탕이 열리는 나무와 민트 설탕 풀이 자라고 있고 덤불 속에선 머쉬멜로우 체리크림이 익어간다. 한편, 찰리를 제외한 다른 네 명은 웡카의 놀라운 발명품들에는 관심도 없고 한결같이 욕심과 이기심, 승부욕과 과시욕에 눈이 멀어 자꾸만 문제를 일으키는데...