В сказочном Цветочном городе жили коротышки - мальчики и девочки ростом с небольшой огурец. Они проводили время в играх и собирании грибов и ягод 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. Самым главным из 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 он 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 Гусли трубу и стал в неё громко дуть, воображая, что играет хорошо. Потом он захотел стать художником, выпросил у 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 оказалось не так-то просто, и автомобиль упал в реку.
Знайка предложил товарищам по дому отправиться в путешествие на воздушном шаре. Во время постройки шара Незнайка поссорился со своим лучшим другом Гунькой из-за того, что он подружился с малышками. Несмотря на недоверие и насмешки всего города, изобретённый Знайкой шар поднял в воздух всех 16 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 он зацепился за край шара, и, пока его отцепляли, малыши 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, отведя себе главную роль в создании шара и снабдив рассказ выдумками, в которые трудно было поверить, однако малышки восхищались смелым путешественником. Он сочинил, что является поэтом, музыкантом, художником и механиком, да к тому же 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 считает, что все малыши - хулиганы и драчуны, однако благодаря уговорам других малышек соглашается выпускать по два малыша в день.
Не 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, так как малыши из Змеевки пригласили их на Новый год и закидали их 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 выписавшиеся 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 и другие привлекательные черты. В конце концов тюбик изготовил шаблоны, к которым добавлял немножко сходства и отдавал заказчицам. Шурупчик, озабоченный пропажей Бублика, поехал привезти его обратно в Змеевку, но тоже увлёкся уборкой фруктов. В Змеевке стали думать, что в Зелёном городе поселился стоголовый дракон, пожирающий всех коротышек, и тогда хулиган Гвоздик заявил, что он 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 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 малышкам. Он был прощён и участвовал в балу, 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. Он также выучился хорошо читать и писать. Писал он с кляксами, но верил, что упорство поможет ему от них избавиться.