Câu chuyện dựa trên truyện cổ Andersen. Một bà mẹ cô đơn luôn mong chờ có được một người con gái và rồi ước mơ của bà thành hiện thực khi một nữ phù thủy tốt bụng tặng bà một hạt giống. Bà trồng hạt giống đó, ngày hôm sau, khi hoa nở, có một cô bé đang nằm trong bông hoa, “chỉ bé bằng ngón tay cái”. Bà đặt tên cho cô là Thumbelina. Ngày ngày Thumbelina giúp mẹ làm vườn vui vẻ, nhưng luôn buồn vì chẳng có ai bé nhỏ như cô cả. Một tối nọ, mẹ cô kể cho cô một câu chuyện cổ tích và Thumbelina mơ ước mình sẽ tìm được người để yêu. Khi cô đang tự hát với mình như vậy, hoàng tử Coelius của xứ tiên đã nghe thấy tiếng hát của cô. Anh vào gặp cô và hai người cùng du ngoạn trên mặt hồ đêm. Họ đã phải lòng nhau. Trong chuyến du ngoạn, một con cóc tên Grundel đã nói với mẹ rằng mình yêu Thumbelina.

Coelius đưa Thumbelina về và hứa sẽ quay lại. Khi cô đã ngủ, mẹ Cóc bắt cóc cô về cho con trai mình. Khi Thumbelina tỉnh lại, cô thấy mình không còn ở nhà nữa. Mẹ Cóc nói cô sẽ cưới Grundel, không cần biết cô có đồng ý không. Thumbelina kêu cứu và được Jacquimo cứu thoát, tìm cách đưa cô về nhà. Jacquimo hứa sẽ tìm Coelius, trong khi đó hoàng tử cũng đã biết Thumbelina bị bắt cóc và đang đi tìm cô.

Thumbelina đã gần về tới nhà, nhưng Berkeley Beetle chặn cô lại và muốn cô biểu diễn tại Hội trường Bọ. Cuối cùng, cô lại bị đuổi vì “quá xấu xí” Grundel cũng đang tìm Thumbelina, đã bắt Berkeley và buộc ông ta phải giúp hắn tìm Thumbelina. Jacquimo đã tìm tới được nơi ở của Coelius và tìm sự giúp đỡ. Không may, chú đã bị thương ở cánh, và khi trời đông tới, chú chỉ còn có thể nằm bẹp một chỗ. Tuyết rơi đã khiến cho Coelius bị đông cứng trong hồ nước, không thể tiếp tục hành trình. Beetle tìm thấy anh và cắt tảng băng mà anh bị mắc kẹt để mang tới cho Grundel.

Thumbelina được bà Chuột đồng tìm thấy. Bà thuyết phục cô đến thăm Chuột trũi cùng mình. Chuột trũi yêu cầu Thumbelina hát cho mình nghe. Họ xuống nơi ở của Chuột trũi và Thumbelina tìm thấy Jacquimo nằm bất tỉnh trên đường tới nhà của Chuột. Chuột trũi ngỏ ý muốn lấy Thumbelina và Chuột đồng cũng thuyết phục cô rằng thế là tốt nhất. Grundel biết được rằng Thumbelina sắp lấy chuột trũi, hắn bỏ mặc Coelius lại để đi tìm chuột và Coelius được sưởi ấm bởi ba người bạn của Thumbelina cho đến lúc tan băng. Thumbelina lẻn khỏi nhà Chuột trũi và lấy mảnh gai ra khỏi cánh của Jacquimo. Không cần biết Thumbelina nói gì, Jacquimo tiếp tục tìm Coelius.

Thumbelina nói cô không thể lấy Chuột trũi, và điều đó dẫn tới việc cô bị cả Beetle, Grundel và Chuột đuổi theo. Coelius đã tìm được tới chỗ Thumbelina, xông vào tả xung hữu đột với đám đông và không thể tới được chỗ cô. Giao tranh một hồi, Grundel bị rơi vào một hố sâu không đáy. Jacquimo tìm được Thumbelina và đưa cô tớ Xứ tiên. Cô đã hát và băng trên những phiến lá, cành cây tan đi. Coelius quay lại trong niềm vui vô hạn của Thumbelina. Tình yêu của họ tái hợp và đám cưới được cử hành.

Cuối phim có chiếu cảnh Beetle sống cuộc sống cũ, Grundel vẫn còn sống sót sau cú rơi với cái chân gãy và cưới một cô ếch khác. Ông Chuột trũi lấy bà Chuột đồng. Một kết thúc hạnh phúc cho tất cả.