Charlie Bucket vit pauvrement dans une petite maison de deux pièces avec ses parents et ses quatre grands-parents, cloués au lit. Charlie est un enfant gentil, attentionné et soigneux qui aime sa famille malgré leurs difficultés communes. Hors sa famille, la chose qu'il aime le plus est le chocolat. À cause de sa pauvreté extrême, il ne peut toutefois n'en recevoir qu'une barre par an, à l'occasion de son anniversaire. 

Il y a près de sa maison la plus grosse chocolaterie d'alors, que possède Willy Wonka. 

Willy Wonka est le plus important, le plus créatif et le plus inventif raffineur de chocolat au monde, produisant une importante variété de sucreries merveilleuses ou délicieuses, dont certaines semblent irréalisables (comme les glaces qui ne fondent jamais ou les chewing-gums qui ne perdent pas leur goût). Comme raconté par le grand-père de Charlie, Grand-Papa Joe, l'espionnage industriel ayant pratiquement ruiné la fabrique, Willy Wonka l'a complètement fermée, puis ré-ouverte ultérieurement avec l'aide d'ouvriers inconnus et mystérieux. 

Après avoir passé plusieurs années en fonctionnant de la sorte, Willy Wonka, à la surprise de tous, aurait décidé de ré-autoriser la visite de sa chocolaterie par le public, en organisant une loterie. Cinq tablettes de chocolat « Wonka » contenant des billets d'or cachés sous l'emballage sont dispersées dans le monde. Chaque billet autorisera son découvreur (et un seul membre de sa famille) à accéder à la chocolaterie pour une visite guidée par le chocolatier en personne. Une frénésie d'achat de chocolat secoue alors le globe. Les gagnants des quatre premiers billets s'avèrent être : 

Parallèlement, la pauvreté qui enserre la famille de Charlie se ressent davantage. 

Par pur miracle, et à la dernière seconde, Charlie parvient à trouver le dernier billet d'or. Grand-Papa Joe se lève alors de son lit, et tous deux partent pour la chocolaterie de Willy Wonka où les autres gagnants les rejoignent. Ils y découvriront ses merveilleuses réalisations, y compris certains prototypes aux effets secondaires à dormir debout. Par ailleurs, Willy Wonka révèle à ses invités que les mystérieux ouvriers sont des Oompa Loompas, un peuple pygmée venu de l'Oompaland, qui a accepté de venir travailler dans sa fabrique, car il peut leur fournir des quantités illimitées de leur mets préféré, la graine de cacao (ingrédient principal du chocolat). Au cours du livre, ils se lancent régulièrement — et massivement — dans des couplets en vers improvisés pour commenter la conduite des autres enfants et les conséquences de leurs actes.