威利•王卡（强尼•戴普 饰）是一位伟大的巧克力发明人和制造商，经营着全世界最大的巧克力工厂——王卡巧克力工厂。那是座神秘的工厂，大门紧锁，15年来，从来没有看见有工人从大门进去或出来过，可是却能闻到浓郁的巧克力香味。工厂出产的旺卡牌巧克力销往世界各地，深受孩子们的喜爱。
有一天，威利•旺卡先生贴出告示：他在出产的巧克力里面埋藏了五张金券，谁吃到了，就有机会参观工厂，还能得到足够吃一辈子的巧克力糖和其他糖果。小孩子们疯狂抢购，最终五个小客人成为幸运儿。
其中有一个小客人叫查理（弗莱迪•海默 饰），家庭非常贫寒，在经历两次失败后，他发现了最后一张金券，巧克力工厂的大门因此为他打开。
五个孩子开始在这个魔幻工厂中冒险，吸引他们的除了神奇壮观的巧克力制造世界之外，还有威利•王卡的“神秘礼物”……

故事要从一位无名作家（裘德·洛 Jude Law 饰）说起，为了专心创作，他来到了名为“布达佩斯”的饭店，在这里，作家遇见了饭店的主人穆斯塔法（F·莫里·亚伯拉罕 F. Murray Abraham 饰），穆斯塔法邀请作家共进晚餐，席间，他向作家讲述了这座饱经风雨的大饭店的前世今生。
饭店曾经的主人名叫古斯塔沃（拉尔夫·费因斯 Ralph Fiennes 饰），而年轻的穆斯塔法（托尼·雷沃罗利 Tony Revolori 饰）在当时不过是追随着他的一介小小门童。古斯塔沃为人正直，精明能干，在他的经营和组织之下，布达佩斯大饭店成为了当时首屈一指的度假胜地。古斯塔沃和年迈的D夫人（蒂尔达·斯文顿 Tilda Swinton 饰）情投意合，D夫人去世后，在遗嘱中将一副价值连城的名画留给了古斯塔沃，这一举动惹恼了她的儿子迪米特里（阿德里安·布洛迪 Adrien Brody 饰），布达佩斯大饭店和古斯塔沃的厄运就此拉开了帷幕。