Amélie vive a Parigi ma in un mondo tutto suo. Traumatizzata dalla morte improvvisa di sua madre e dalla conseguente freddezza di suo padre, ora subisce il fascino delle piccole cose: fare una torta, tuffare la mano in un barile di riso, immaginare quanti orgasmi si stanno verificando in città nello stesso momento. Prende in affitto un appartamento a Montmartre. Si occupa del gatto della sua amica hostess Philomène quando lei è via per un volo, e, pur sentendosi colpevole, spia il vicino Dufayel, un uomo con le ossa fragili. Lavora in un caffè chiamato "Les Deux Mulins", dove la sua capa Suzanne sogna la sua vita passata nel circo, e la sua collega Gina respinge seccamente le attenzioni dell'ex fidanzato geloso Joseph. La vita di Amélie è abbastanza felice, ma le va stretta. Un giorno, Amélie scopre una vecchia scatola di tesori d'infanzia nel suo appartamento. Presa dall'eccitazione, decide che la sua missione sarà ritrovare il proprietario. Le sue ricerche la mettono in contatto con la portiera del suo stabile, che desidera ardentemente ricevere una lettera dal marito infedele (e, sfortunatamente morto), e con il crudele droghiere Collignon, che tratta in modo terrorizzante il suo innocente impiegato Lucien. Alla fine, il suo percorso si incrocia con Dufayel, che la mette sulla pista giusta per trovare la sua preda e, in corso d'opera, si rivela un filosofo casalingo e un pittore eccentrico: da vent'anni, ogni anno fa una copia scrupolosa di un quadro di Renoir. Amélie restituisce la scatola in modo anonimo al suo proprietario di mezza età, Bretodeau, e guarda a distanza la trasformazione della sua vita grazie alla magica scoperta. E' così commossa dalla gioia di lui che comincia a cercare altre vite da rimettere in sesto. Riesce a pilotare la nascita di una passione tra Joseph e Georgette, la sigaraia, e così libera Gina dalla sgradita gelosia di lui. In un tentativo di risvegliare le emozioni di suo padre, ruba il suo adorato gnomo da giardino e convince Philomène a mandargli delle Polaroid del viaggio intorno al mondo dello gnomo. Si introduce nell'appartamento di Collignon e fa dei piccoli cambiamenti, portando l'orribile uomo a dubiatere della propria incolumità mentale. Scrive false lettere d'amore all'amareggiata portiera fingendo che provengano dal suo ultimo marito. Poi un giorno, tornando da una visita a suo padre in periferia, Amélie vede un giovane che colleziona foto-tessera scartate da una cabina della Gare du Nord. Lui fugge via, lasciando cadere il suo diario. Amélie lo raccoglie ed è immediatamente catturata: il diario le rivela che c'è un uomo che sta lasciando le sue fotografie nelle cabine di tutta Parigi. Il proprietario del diario sta disperatamente cercando di scoprire perché, e Amélie sta disperatamente cercando lui. Amélie scopre il suo nome e il suo numero, e comincia le ricerche. Più scopre su di lui, più è sicura che questo Nino, un collezionista di bizzarre cose effimere, come insoliti messaggi nelle segreterie telefoniche, è l'uomo che fa per lei. Ma le vecchie abitudini sono dure a morire. Nonostante il consiglio del suo nuovo amico Dufayel, conduce una campagna clandestina. Fa visita in incognito a Nino dove lui lavora (un treno fantasma); lascia criptici indizi per lui; lo guida in una misteriosa caccia al tesoro intorno al parco del Sacré-Coeur; risolve perfino l'enigma che assillava Nino (l'uomo misterioso è un tecnico delle cabine delle foto-tessera); ma non riesce ad accostarlo direttamente. In compenso, lascia a Nino una serie di sue fotografie, ognuna che lo porta più vicino a "Les Deux Moulins". A "Les Deux Moulinis" Joseph ora è geloso di Georgette, e il poeta locale Hipolito si lamenta di non avere un editore. Nel frattempo Dufayel insegna a Lucien a dipingere, e si meraviglia delle belle e strane immagini che Amélie gli ha mandato in videocassetta . Collington, turabto dai sabotaggi di Amélie, è sull'orlo dell'esaurimento nervoso. E Nino finalmente arriva al caffè. Ma quando chiede ad Amélie se è lei la donna che lo ha condotto lì, lei perde la testa e dice no. Dufayel esorta Amélie a uscire allo scoperto e a rivelarsi a Nino, ma lei è terrorizzata. Comunque, interviene il destino sotto le spoglie di Gina, che porta Nino a fare una passeggiata e gli dice che anche lui deve arrivare ad Amélie con uno stratagemma segreto. E Dufayel ha lascaito ad Amélie una videocassetta in cui le dice di tuffarsi di testa nella vita. Una pista di bigliettini sul pianerottolo conducono pian piano Amélie a Nino, finalmente. Si baciano, e il mondo intorno a loro torna al suo posto... Bretodeau si riunisce ai suoi nipoti lontani. Hipolito scopre che Amélie lo ha "pubblicato" con la vernice spray su un muro. Dufayel comincia a sviluppare un suo stile personale nel dipingere. Il padre di Amélie decidee di seguire le orme del suo gnomo e fare un viaggio intorno al mondo... ... e Amélie dice a Nno che lo ama.