A inicios del siglo XX, la fábrica de chocolates Wonka se ha convertido en la más valorada y cotizada del mercado. Sin embargo, una persona cree saber la verdad detrás de tal abrumador éxito, el joven Charlie Bucket. Desde que su abuelo Joe, que trabajaba en la fábrica, desapareció misteriosamente, Charlie ha intentado buscar la verdad, pensando que Wonka tiene mucho que ver con ello, como con las desapariciones de varios otros menores.

Por falta de pruebas, nadie toma en serio a Charlie, ni siquiera sus padres. Por esto mismo, y cansado de ser la burla de todos, Bucket se encamina a su aventura tras haberse preparado física como mentalmente.

Su primer objetivo es conseguir cinco llaves doradas que guardan los Upa Lumpas, seres enanos brutales, resguardados por guardias en toda la ciudad. Tras conseguirlas tras eliminar a sus guardianes, Charlie en la puerta de la fábrica enfrenta a su Guardián Supremo. Tras derrotarlo, logra su objetivo de entrar.

Sabiendo que por ahora Wonka no sabe su presencia, Charlie se abre paso por el lugar, eliminando a Upa Lumpas de diversos tipos. Al llegar al Valle de Chocolate, se encuentra con un viejo conocido, su ex bravucón Augusto Gloup, ahora transformado en una gran bola de grasa caníbal y glotona. Pese a su gran resistencia, Charlie lo hace pedazos al lograr meterlo al tubo que transporta el chocolate líquido.

Continuando su camino, ahora sabiendo que Wonka sabe de su presencia en su fábrica, hiendo a parar al llamado Cuarto de Inventos, Charlie enfrenta a otra conocida, Violeta Beauregard, una de las chicas superficiales de su escuela, con la habilidad de atacar escupiendo chicles de su boca con diversas funciones. Gracias a sus grandes habilidades de pelea, Violeta lo pone en peligro, pero no es hasta que masca un chicle de sabor múltiple que le da la habilidad de contorsionarse a niveles sobrehumanos. Aun así, viendo que engorda al usarlo por mucho tiempo, Charly la hace explotar una vez que ha llegado a su límite.

Llegando al Cuarto de sacar nueces, Charlie se reencuentra con la chica que más odiaba en el mundo, Veruca Salt, ahora como la reina ardilla con la capacidad de controlar versiones come carne. Luchando por el lugar, ambos caen hacia el incinerador, cortándole Charlie las manos para zafarse, muriendo Veruca quemada viva.

Debiendo regresar a la superficie, Charly se moviliza por las alcantarillas hasta llegar al Cuarto de Televisión, enfrentando a su último ex enemigo humano, el violento sabelotodo Mike Teevee, con la habilidad de teletransportarse, duplicarse y alterar la realidad por medio de la televisión. Viendo que fue de los pocos que no lo lastimo, Charlie decide dejarlo vivo tras su batalla, desapareciendo Teevee del lugar.

Finalmente, tras haber recolectado varias cintas, cartas y pistas que su abuelo Joe dejó por toda la fábrica, sabiéndose más cosas como que Wonka asesinó a su progenitor al no permitirle ser chocolatero, como ha convertido en dulces a sus rivales, y los crueles experimentos que ha realizado con niños, Charlie y Wonka están frente a frente en su oficina.

Wonka se sorprende ya que no espero que llegará tan lejos, preguntándole si realmente desea asesinarlo para concretar su venganza, rebelando que en realidad lo atrajo a propósito con el objetivo que sea su sucesor, negándose Bucket, como que en realidad es mitad humano mitad dulce al haber sido un experimento.

Pese a que Charlie no lo digiere con facilidad, eso no lo detiene de luchar contra Wonka. En el proceso casi toda la fábrica es destruida, logrando finalmente derrotarlo al hacerlo caer a una de sus máquinas que lo convierte en chocolate, tras que se transformará en un gran monstruo tras consumir una barra experimental.

Aunque Wonka ha sido derrotado, Charlie no puede evitar sentir culpa por todos los asesinatos que ha causado. Por eso mismo, y sin más en el mundo, decide acabar con su vida, arrojándose de lo más alto de la fábrica, pero feliz, al saber que Wonka ya no hará daño a nadie, cubriendo la noche el ambiente.

En una escena post créditos, se ve un rastro de sangre fuera de los restos, indicando que quizá Bucket siga vivo.