Героїня фільму Амелі Пулен провела дитинство в повній ізоляції. Лікарі помилково діагностували в неї ваду серця, тому вона не ходила до школи, як звичайні діти. Батько Амелі, який став похмурим і замкнутим після безглуздої смерті дружини, звертав на доньку мало уваги. Тому Амелі виросла вкрай сором'язливою і боязкою дівчиною з неймовірно багатою фантазією. Ставши дорослою, Амелі їде з дому і починає працювати офіціанткою в невеликому кафе "Два млини" на Монмартрі. Працівники та завсідники "Двох млинів" навіть не підозрюють про те, що мовчазна великоока дівчина зі стрижкою "каре" дуже уважно вивчає їх і потихеньку робить висновки...
Бідне на події життя Амелі Пулен перевертається 30 серпня 1997 року, в день смерті принцеси Діани. Почувши звістку про смерть принцеси у випуску новин, приголомшена Амелі впускає пробку від флакона парфумів. Пробка котиться підлогою, вдаряється об стіну - і зі стіни випадає плитка, за якою виявляється схованка. Старомодні іграшкові солдатики та інші "скарби" явно були заховані в стіні дитиною, яка жила в цій квартирі багато років тому. Амелі вирішує почати розслідування і повернути скарб господареві, скільки б років тому не було і де б той не перебував... Ба більше, дівчина дає собі зарок: якщо вона побачить на обличчі господаря коробочки радість, то присвятить своє життя добрим справам.
Після цього випадку Амелі перетворюється на справжню добру фею. Вона дуже спостережлива, і їй неважко зрозуміти, що може зробити ту чи іншу людину щасливою. Все інше - справа техніки, а фантазії їй не позичати. Однак люди, яких ощасливила Амелі, не здогадуються про те, що саме вона - автор "чудес". Тож фея, як і раніше, залишається дуже самотньою...