De jonge Charlie Bucket leeft met zijn ouders en grootouders in armoede in een huis vlakbij een prachtige chocoladefabriek van de excentrieke Willy Wonka. Ondanks de beperkte middelen van het gezin is Charlie goedhartig en heeft hij een onverzadigbare liefde voor chocolade.
Op een dag kondigt meneer Wonka aan dat hij een wedstrijd houdt waarbij vijf kinderen een rondleiding krijgen door zijn mysterieuze chocoladefabriek. Gouden kaartjes zijn wereldwijd verborgen in Wonka's chocoladerepen, en Charlie droomt ervan er een te vinden.
Charlie heeft buitengewoon veel geluk en vindt een gouden kaartje in zijn chocoladereep. Hij sluit zich aan bij de andere vier kinderen, elk met verschillende persoonlijkheden en eigenaardigheden, op de tour van hun leven. Meneer Wonka leidt hen door verschillende magische en fantastische kamers in de fabriek, waaronder de Chocolate Room, de Inventing Room en de Nut Room.
Terwijl ze op verkenning gaan, bezwijken de andere kinderen, verleid door de wonderen van de fabriek, voor verschillende tegenslagen. Augustus Gloop valt in een chocoladerivier, Veruca Salt eist dat ze een Oompa-Loompa als huisdier krijgt, Violet Beauregarde kauwt op een experimentele kauwgom die haar in een bosbes verandert, en Mike Teavee wordt geminiaturiseerd nadat hij een televisietoestel binnengaat.
Charlie blijft vriendelijk, eerlijk en braaf tijdens de tour, waarmee hij zijn goede karakter laat zien. Hij raakt bevriend met de Oompa-Loompa's, de arbeiders in de fabriek, en meneer Wonka raakt op hem gesteld.
In een verrassende gang van zaken onthult de heer Wonka dat het echte doel van de fabrieksrondleiding was om een geschikte erfgenaam te vinden om de chocoladehandel over te nemen. Charlie komt naar voren als de uitverkorene vanwege zijn kwaliteiten van eerlijkheid en vriendelijkheid.
"Charlie en de Chocoladefabriek" is een klassieke kinderroman die elementen van fantasie, verbeeldingskracht en morele lessen combineert. Het onderzoekt thema's als vriendelijkheid, hebzucht en het belang van goede karaktereigenschappen.