O filme conta a história de Amélie, uma menina que cresceu isolada das outras crianças. Isso porque seu pai achava que Amélie possuia uma anomalia no coração, já que este batia muito rápido durante os exames mensais que o pai fazia na menina. Na verdade, Amélie ficava nervosa com este raro contato físico com o pai. Por isso, e somente por isso, seu coração batia mais rápido que o normal. Seus pais, então, privaram Amélie de freqüentar escola e ter contato com outras crianças. Sua mãe, que era professora, foi quem a alfabetizou até falecer quando Amélie ainda era menina. Sua infância solitária e a morte prematura de sua mãe influenciaram fortemente o desenvolvimento de Amélie e a forma como ela se relacionava com as pessoas e com o mundo depois de adulta.



Após sua maioridade, mudou-se do subúrbio para o bairro parisiense de Montmartre onde começou a trabalhar como garçonete. Certo dia, encontra no banheiro de seu apartamento uma caixinha com brinquedos e figurinhas pertencentes ao antigo morador do apartamento. Decide procurá-lo e entregar o pertence ao seu dono, Dominique, anonimamente. Ao notar que ele chora de alegria ao reaver o seu objeto, a moça fica impressionada e remodela sua visão do mundo.

A partir de então, Amélie se engaja na realização de pequenos gestos a fim de ajudar e tornar mais felizes as pessoas ao seu redor. Ela ganha aí um novo sentido para sua existência. Em uma destas pequenas grandes ações ela encontra um homem por quem se apaixona à primeira vista. E então seu destino muda para sempre...