De kleine Amélie Poulain groeit op met een ernstig gebrek aan liefde en aandacht. Haar vader raakt haar nooit aan en haar moeder komt onder een zelfmoordenaar die van een toren springt terecht. Daarom sluit Amélie zich op in haar eigen droomwereld, samen met haar suïcidale goudvis. Eenmaal wat ouder en op zichzelf wonend in de Parijse wijk Montmartre, vindt ze op een dag achter een muur van haar appartement een doosje met spullen van een vorige bewoner. Geraakt door de inhoud, gaat ze op zoek naar de eigenaar. Op haar zwerftochten door Parijs ontmoet ze een heleboel mensen die vastzitten in gemis en spijt. Daarop besluit Amélie het lot van de mensen om haar heen wat te verlichten, wat ze op zeer originele en onconventionele manier doet.