很久以前，有个扫烟囱的小男孩，名叫汤姆，他受尽了师傅格林先生的虐待。一天，他跟随师傅去哈特荷佛庄园扫烟囱，无意中闯入了约翰爵爷女儿爱丽小姐的闺房，被误当成了小偷遭到追捕。在水仙女的暗中保护下，汤姆来到了小溪边，沉睡到水中，变成了水孩子。
汤姆一觉醒来，发现自己可以在水里自由自在地游来游去。他从小溪经过江河游到大海，同水中各种稀奇古怪的动物打交道，好不容易找到了其他水孩子，并随他们一起来到水孩子们的家——圣白兰登仙女岛。
岛上居住着成千上万被水仙女收留的水孩子。汤姆太调皮，一直欺负小动物，还把石子放进海葵的嘴里让它当晚饭。相貌丑陋却心地善良的惩恶仙女把他唤过去，将一颗石子塞进他的嘴里惩罚他。她告诉汤姆，若他做个好孩子，她的妹妹——美丽的扬善仙女就会注意到他，还会抱抱他，亲亲他，教他怎样做人。
汤姆馋嘴，偷吃了惩恶仙女放在橱里的海糖果，受到了惩罚，浑身长满了尖刺。惩恶仙女让同样变成水孩子的爱丽小姐来教汤姆学习，就这样不知不觉过了七年。仙女告诉汤姆，要成为一个顶天立地的男子汉，就要学学爱丽，去不喜欢的地方，帮助不喜欢的人。
于是，汤姆独自一人，开始远行，到“天外天”去寻找、帮助他不喜欢的师傅格林先生。他在海燕和海鸥的帮助下，来到闪光城，在黑漆漆的海底整整游了七天七夜，穿过那扇从不打开的白城门，到达善良鲸鱼安息的和平池，找到了让旧动物重生变成新动物的慈爱婆婆，并得知了去“天外天”的路。
在前往“天外天”的路上，汤姆经历的冒险一次比一次离奇。他去过坏书堆积如山的废纸国、颠倒是非的流氓岛、水中捞月的愚人城，还有从早到晚只会唱同一首歌“功课我没学会呀，考试先生来了呀”的可怜萝卜们住的大头娃娃岛，他懂得了很多道理。
最后，汤姆来到了“天外天”关押格林先生的三百四十五号烟囱监牢，用宽容之心拯救了格林的灵魂。在仙女们的感化、教育和引导下，汤姆历经千辛万苦，终于战胜了自己，成为了一个真正的男子汉，回到了魂牵梦萦的仙女岛。
