Julien es un viudo que se dedica a coleccionar mariposas. Un día va a las montañas en busca de un raro ejemplar, y lo hace en compañía de Elsa, una niña de nueve años cuya madre le presta poca atención. Elsa y Julien encontrarán a lo largo del camino respuesta a sus inquietudes.

Amélie Poulain (Audrey Tautou) es una joven camarera que vive en París y que tiene una imaginación desbordante. Un día, encuentra una caja con objetos antiguos que pertenecían al antiguo inquilino de su apartamento. Amélie decide devolver la caja a su dueño y ver su reacción. Al ver la felicidad que le provoca, Amélie se propone hacer felices a los demás con pequeños gestos. Así, ayuda a sus vecinos, a sus compañeros de trabajo y a su padre, mientras se divierte con sus ocurrencias. Pero en su búsqueda de la felicidad ajena, Amélie se olvida de la suya propia, hasta que conoce a Nino Quincampoix (Mathieu Kassovitz), un joven coleccionista de fotos que le roba el corazón.