威利·旺卡（約翰尼·德普飾）是全球最大巧克力工廠的神秘經營者，十五年來從未有人目睹工人進出卻持續產出暢銷糖果。為慶祝工廠開放參觀，他在巧克力中藏匿五張金券，最終被貧困但善良的男孩查理（弗萊迪·海默飾）在兩次嘗試后意外獲得。四位性格各異的幸運兒——貪婪的小胖、傲慢的千金小姐、沉迷電視游戲的男孩和霸道的女孩，與查理共同進入充滿奇幻糖果景觀的工廠。在機械糖鼠引導下，孩子們目睹巧克力瀑布、可食用叢林等奇觀，卻因各自缺陷接連遭遇意外：小胖掉入巧克力河被吸走，千金小姐變成巨型藍莓球，游戲狂人墜入電視傳送帶，霸道女孩被松鼠群判定為"壞堅果"。查理成為唯一通過考驗者，旺卡最終揭曉真相：童年缺失父愛的他制造金券作為與父親和解的契機，而查理的家庭溫情讓他選擇將工廠繼承權托付給這個理解愛與分享真諦的男孩。