В стране правят прожорливые и жестокие Три Толстяка. Народ под предводительством оружейника Просперо и гимнаста Тибула восстаёт против их власти, но восстание терпит неудачу. Оружейника Просперо арестовывают, а гимнаст Тибул, ловко пройдя по проволоке, натянутой над площадью Звезды, спасается и пряччется в доме доктора и учёного Гаспара Арнери. Доктор, в целях конспирации, гримирует Тибула под чернокожего акробата.
На следующий день готовится казнь захваченных мятежников. По этому случаю во дворце Толстяков пекут огромный парадный торт. В открытые окна дворцовой кухни влетает продавец воздушных шаров, унесённый ветром с площади вместе со своим товаром, и падает в центр торта. Кондитеры бросаются спасать торт и украшают несчастного кремом и цукатами.
Торт вывозят в зал к Толстякам, и лишь случай спасает продавца шаров. В зал с плачем врывается двенадцатилетний мальчик — наследник Тутти. Он кричит, что его любимая кукла сломана. Тутти — воспитанник и наследник Толстяков, капризный и балованный. Толстяки пытаются воспитать из него человека с железным сердцем и поэтому не дают мальчику общаться со сверстниками. Единственный друг принца — удивительная кукла, растущая и развивающаяся вместе с ним.
Настроение у Толстяков испорчено, торт увозят обратно на кухню. В обмен на шары поварята помогают продавцу выбраться из дворца. Они показывают ему потайной ход, берущий своё начало в гигантской кастрюле. Случайно Тибул узнаёт у продавца воздушных шаров о существовании дворцового подземного хода.
Толстяки приказывают доктору Гаспару починить куклу наследника. Возвращаясь домой поздно вечером, доктор её теряет. Страшно расстроенный, он забредает в балаганчик дядюшки Бризака, где встречается с Тибулом и знакомится с Суок, гимнасткой бродячего цирка. Девочка похожа на куклу как две капли воды. У Тибула зарождается план по освобождению оружейника Просперо. Утром доктор Арнери является во дворец вместе с Суок, загримированной под куклу. Наследник в восторге и не замечает подмены.
Ночью Суок пробирается в зверинец, где в клетке содержится Просперо. В одной из клеток девочка обнаруживает странное существо, обросшее шерстью, с длинными жёлтыми когтями, которое вручает ей дощечку с письменами и умирает. Это был учёный Туб, создатель куклы. Восемь лет назад Туб отказался сделать наследнику железное сердце, и поэтому был заключён в звериную клетку. Суок узнаёт, что наследник Тутти — её родной брат. Тогда же, восемь лет назад, детей похитили по приказу Толстяков и разлучили: девочку отдали бродячему цирку в обмен на попугая с длинной красной бородой, а мальчика оставили во Дворце.
Суок освобождает Просперо и выпускает на свободу пантеру, которая помогает им добраться до кастрюли с подземным ходом. В последний момент Суок хватают гвардейцы. Чтобы наследник не помешал расправиться с девочкой-куклой, его временно усыпляют. А на Суок, не отвечающую на вопросы, натравливают тигров. Но оказывается, что вместо девочки осудили куклу. Настоящую Суок мятежные гвардейцы спрятали в шкаф, подменив её куклой, отобранной у учителя танцев Раздватриса, нашедшего её на дороге.
Между тем уже звучат выстрелы и рвутся снаряды. Восставший народ штурмует Дворец.
Через год на площади Звезды происходит праздничное цирковое представление в честь годовщины народной победы. На сцене выступают Суок и маленький мальчик с золотыми волосами — её брат, бывший наследник Тутти.