平静的小镇在寒冬里迎来了火热的一天。年轻的薇安萝雪（朱丽叶特-比诺什 Juliette Binoche 饰)）带着女儿来到这里，在当地教堂的对面开了一间名为“天上人间 核桃糖”的巧克力店。巧克力香浓的气味在小镇上空飘荡，吸引众多小镇居民，而神奇的是，薇安萝雪每次做出来的巧克力，都能满足顾客的心理需求，发掘他们心中隐蔽的渴望。很多人原本封闭灰暗的生活有了新的色彩。但是，这却激怒了镇里的神父和贵族，他们视薇安萝雪为异类，镇里出现了对立的两派。而这时，吉普赛人洛克斯（强尼戴普 Johnny Depp 饰）远道而来，加入了薇安萝雪的阵营，他令薇安萝雪勇敢地打开了自己内心的欲望，二人共浸爱河，却想不到神父盘算着如何把这个“不祥”女子赶出小镇，于是，新旧观念的大碰撞开始了。

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”……