В сказочном Цветочном городе жили коротышки — мальчики и девочки ростом с небольшой огурец. Они проводили время в играх, собирали грибы и ягоды на берегах ручья, который называли Огурцовой рекой. Малыши и малышки были разными и оттого недолюбливали друг друга.
В одном доме на улице Колокольчиков жили шестнадцать малышей-коротышей. Главным у них был Знайка, который всегда читал книги и поэтому много знал. А самым известным был Незнайка. Одевался он всегда в голубую шляпу, жёлтые брюки и оранжевую рубашку с зелёным галстуком, целыми днями слонялся по городу и сочинял разные небылицы, да ещё обижал малышек.
Однажды Незнайка придумал, что скоро на город упадёт кусок солнца и всех раздавит. Началась паника, но Знайка ему не поверил и всех успокоил.
Незнайка хотел чему-нибудь научиться, но не желал прилагать к этому никаких усилий. Однажды он решил стать музыкантом, попросил у музыканта Гусли трубу и стал в неё громко дуть, воображая, что играет хорошо. Потом он захотел стать художником, выпросил у художника Тюбика краски и кисточку и нарисовал карикатуры на всех малышей из своего дома. Ещё он попробовал сочинять стихи, вернее, эпиграммы на своих товарищей. Никому его искусство не понравилось, и он раздумал им заниматься. Когда механики Винтик и Шпунтик сделали автомобиль, работавший на газированной воде с сиропом, Незнайка решил на нём покататься, но управлять им оказалось не так-то просто, и автомобиль упал в реку.
Знайка предложил соседям по дому отправиться в путешествие на воздушном шаре. Во время постройки шара Незнайка поссорился со своим лучшим другом Гунькой из-за того, что тот подружился с малышками.
Несмотря на недоверие и насмешки всего города, изобретённый Знайкой шар поднял в воздух всех шестнадцать малышей. Незнайка с удивлением увидел, что земля огромная, а облака не жидкие, а сделаны из пара.
К вечеру горячий воздух в шаре остыл, и он начал снижаться. Знайка первым выпрыгнул с парашютом, сделанным из пушинок одуванчика. За ним прыгнул Торопыжка, но в спешке зацепился за край шара. Малыши начали его отцеплять и потеряли Знайку из виду. Никто больше не хотел прыгать. Незнайка объявил себя главным, но не смог решить, кто должен первым выпрыгнуть из стремительно падающего шара. Корзина ударилась о землю, и все малыши высыпались из неё, только Незнайка успел удержаться. Шар пролетел ещё немного, наткнулся на забор и лопнул.
Незнайка очнулся в доме малышки Синеглазки. За завтраком он рассказал Синеглазке и её подругам о своих приключениях, объявив себя создателем шара и снабдив рассказ выдумками, в которые трудно было поверить, однако малышки восхищались смелым путешественником. Он назвал себя поэтом, музыкантом, художником, механиком и учителем остальных малышей.
Узнав, что другие малыши лежат в больнице, Незнайка пошёл их навестить и по дороге узнал, что город, в который они попали, называется Зелёным, и в нём живут одни малышки. Понемногу он потерял чувство превосходства над малышками. Его друзья были здоровы, только у охотника Пульки была вывихнута нога, и Незнайка пообещал уговорить доктора Медуницу выписать всех, если они подтвердят его выдумку об изобретении шара.
Медуница считала, что все малыши — хулиганы и драчуны, но благодаря уговорам других малышек согласилась выпускать по два малыша в день. Она лечила всех мёдом, с чем был категорически не согласен прилетевший с малышами доктор Пилюлькин — он предпочитал мазать раны и ушибы йодом.
На следующее утро выписали механиков Винтика и Шпунтика, которых попросили починить единственный в городе автомобиль. Механики отправились за инструментами в город Змеевку, где жили только малыши, и познакомились там с шофёром Бубликом, изобретателем Шурупчиком и другими, а вечером Бублик отвёз их обратно.
Малышки встретили его неприветливо: когда-то малыши из Змеевки пригласили их на Новый год и закидали снежками, а некий Гвоздик однажды проник в Зелёный город, чтобы делать жительницам пакости. Однако Бублик объяснил, что они просто хотели поиграть в снежки, а Гвоздик и малышам насолил изрядно. Шофёр остался, чтобы помочь починить автомобиль, а потом включился в уборку фруктов, в которой малышки и малыши участвовали наравне. Незнайка бегал между работающими коротышками, на всех кричал и отдавал указания, без которых можно было бы обойтись, но ему хотелось показать своё главенство.
Постепенно многие малыши нашли своё место в городе. Художник Тюбик стал рисовать портреты малышек, каждая из которых хотела выглядеть красавицей и требовала сделать ей большие глаза. В конце концов Тюбик изготовил шаблоны, которым придавал небольшое сходство с заказчицами.
Шурупчик, обеспокоенный пропажей Бублика, поехал в Зелёный город, чтобы привезти его обратно в Змеевку, но тоже увлёкся уборкой фруктов. В Змеевке решили, что в Зелёном городе поселился стоголовый дракон, пожирающий всех коротышек, и хулиган Гвоздик заявил, что хочет искупить свою вину перед малышками и убить дракона. Он отправился в Зелёный город и тоже не вернулся. Малышки готовились к большому балу, и Гвоздик стал помогать им строить беседки и скамейки. Все поняли, что прежде он шалил только от безделья, и простили его.
Трое малышей из Змеевки вернулись домой, привезя с собой яблоко, грушу и пять слив — столько поместилось в три машины. Вскоре всех прилетевших на воздушном шаре малышей выписали из больницы, лишь Пульке пришлось оставаться там, пока не зажила его нога. На день его выздоровления был назначен бал. Малыши из Змеевки приехали, чтобы поблагодарить за фрукты, и получили приглашение на праздник.
После долгих скитаний в городе появился Знайка и разоблачил все Незнайкины выдумки. Малышкам нравилась его вежливость и любознательность, ему показывали вещи, которых не было в Цветочном городе, а Незнайка от стыда спрятался. Появился он перед самым балом, и малыши стали его высмеивать, однако малышки за него заступились, что полностью изменило его отношение к ним.
Незнайку простили и пустили на бал, который внезапно оказался прощальным: малыши из Цветочного города заскучали по дому (особенно Незнайка, которого мучила советь из-за ссоры с Гунькой) и решили вернуться. Синеглазка попросила Незнайку написать ей письмо, и он нехотя пообещал: ему было стыдно признаться, что он не умеет писать.
Вернувшись в Цветочный город, малыши под руководством Знайки построили в нём водопровод, мост через ручей, игровые площадки и другие вещи, увиденные ими в путешествии. Незнайка помирился с Гунькой и теперь сам дружил с малышками и защищал их от обидчиков, благодаря чему отношения между малышами и малышками стали очень дружескими.
Вместо того чтобы играть все дни напролёт, Незнайка начал учиться читать и писать. Писал он с кляксами, но верил, что упорство поможет ему от них избавиться.