Amélie Poulain, une gamine à l'imagination fertile, vit une existence recluse avec ses parents dans un pavillon de banlieue. Et lorsque sa mère meurt subitement, son père reporte toute son affection sur un nain de jardin. Devenue adulte, Amélie se trouve un travail de serveuse dans un bar de Montmartre. A la suite d'un événement fortuit, elle décide que désormais, sa mission sera d'apporter le bonheur aux gens qui l'entourent en améliorant leur vie par petites touches. Tandis qu'elle s'emploie à cette oeuvre généreuse, la jeune femme tombe amoureuse du mystérieux Nino Quincampoix, qui collectionne les photos d'identité oubliées par les gens près des cabines automatiques. Mais la timide Amélie prend des détours compliqués avant d'oser le rencontrer.