Die schüchterne und von ihren Eltern in ihrer Kindheit vernachlässigte Amelie Poulain führt ein einsames Leben. Nach dem Tod der Mutter und der Entzweiung mit dem Vater flieht die junge Frau in eine Phantasiewelt und pflegt außer ihrer Arbeit als Kellnerin in einem Pariser Café keine sozialen Kontakte.
Eines Tages findet sie im Bad hinter einer Fliese versteckt ein kleines Kästchen, dessen Inhalt sie an den Besitzer zurückgeben möchte. Die Suche nach dem unbekannten Eigentümer wird zu einer aufregenden Reise durch Paris und einem Erlebnis, bei dem Amelie lernt, nicht nur anderen Leuten eine Freude zu machen, sondern auch ihr eigenes Glück zu finden.