Amélie Poulain grandit isolée des autres enfants car son taciturne docteur de père lui diagnostique à tort une maladie cardiaque : son père ne la touchait jamais en dehors des examens médicaux, d\\\\\\\'où l\\\\\\\'emballement de son pouls lorsqu\\\\\\\'il le mesurait. Sa mère qui était tout aussi névrosée que son père meurt alors qu\\\\\\\'elle est encore jeune, écrasée accidentellement par une Québécoise qui se suicide en se jetant du haut de la cathédrale Notre-Dame de Paris. Son père se renferme encore plus et dévoue sa vie à la construction d\\\\\\\'un mausolée maniaque consacré à sa défunte épouse. Livrée à elle-même, Amélie développe une imagination étonnamment riche.

Quand elle grandit, Amélie devient serveuse dans un petit café de Montmartre, Les Deux Moulins, tenu par une ancienne artiste du cirque et occupé par des employés et des clients hauts en couleurs. À 22 ans, Amélie mène une vie simple ; ayant abandonné toute relations sentimentale après des tentatives ratées, elle prend goût à des plaisirs simples comme faire craquer la crème brûlée avec une cuillère, se promener sous le soleil de Paris, faire des ricochets sur le canal Saint-Martin, essayer de deviner combien de Parisiens avaient un orgasme à chaque instant (« Quinze ! », lance-t-elle à la caméra) et laisse libre cours à son imagination.

Sa vie bascule le jour de la mort de la princesse Diana. Dans un enchaînement de circonstances qui suivent le choc de la nouvelle, elle découvre derrière une tuile descellée de sa salle de bain une vielle boîte métallique remplie de souvenirs cachés par un garçon qui vivait dans son appartement plusieurs décennies avant elle. Fascinée par sa découverte, elle se met en quête de retrouver la trace de la personne maintenant adulte qui avait placé la boîte et la lui rendre, tout en établissant un marché avec elle-même : si elle le retrouve et le rend heureux, elle consacrerait sa vie au bien, sinon, tant pis.

Après quelques erreurs et un minutieux travail de détective (aidée par le reclus Raymond Dufayel, un peintre surnommé l?« homme de verre » à cause d\\\\\\\'une excessive fragilité osseuse), elle met la main sur l\\\\\\\'identité de l\\\\\\\'ancien occupant des lieux, place la boîte dans une cabine téléphonique et la fait sonner pour l\\\\\\\'attirer alors qu\\\\\\\'il passe à proximité. Lorsqu\\\\\\\'il ouvre la boîte, il subit une révélation. Tous ses souvenirs oubliés d\\\\\\\'enfance lui reviennent soudain à la mémoire. Elle le suit de loin jusque dans un bar et l\\\\\\\'observe sans se découvrir. En voyant les effets positifs sur lui, elle décide de répandre le bien dans la vie des autres. Amélie devient alors une sorte d\\\\\\\'entremetteuse secrète et d\\\\\\\'ange gardienne. Elle persuade son père de poursuivre son rêve de faire le tour du monde (avec l\\\\\\\'aide d\\\\\\\'un nain de jardin et d\\\\\\\'une amie hôtesse de l\\\\\\\'air). Elle met également son grain de sel dans la vie de ses amis (et s\\\\\\\'arrange pour que deux d\\\\\\\'entre eux tombent amoureux), de la concierge de son immeuble et de Lucien, l\\\\\\\'employé du propriétaire brutal de l\\\\\\\'épicerie du coin.

Mais alors qu\\\\\\\'elle s\\\\\\\'occupe des autres, personne ne s\\\\\\\'occupe d\\\\\\\'elle. En aidant les autres à obtenir leur bonheur, elle se met face à sa propre vie solitaire ? rendue encore plus apparente par ses relations chaotiques avec Nino Quincampoix, un jeune employé de sex-shop décalé qui collectionne les photos d\\\\\\\'identité jetées sous les Photomatons et dont elle est tombée amoureuse. Bien qu\\\\\\\'elle l\\\\\\\'intrigue avec diverses méthodes détournées pour le séduire (dont notamment une sorte de chasse au trésor pour récupérer un de ses albums photo perdu), elle reste terriblement timide et se trouve incapable de l\\\\\\\'approcher. Elle doit recevoir les conseils de Raymond pour comprendre que l\\\\\\\'on peut poursuivre son bonheur tout en s\\\\\\\'assurant celui de ses amis et voisins.