这部童话的主人公是瑞典南部乡村的一个14岁男孩尼尔斯。他的父母都是朴素善良的农民，但他是一个不爱学习、调皮捣蛋、专欺负动物的坏孩子。一天早晨，他父母上教堂了，他因为戏弄小狐仙，而被变成了一个拇指大的小人儿，找动物帮忙却遭嘲弄，后来因为想阻止雄鹅跟雁群飞走，所以被带上了天。
尼尔斯开始了一场说走就走的旅行。起初，大雁们并不信任他，领头雁阿卡一直想送他回家，尼尔斯为了不回到压抑的家中，只能表现得听话一些。在这之后，尼尔斯与狐狸斯密尔斗智斗勇，救出了一只大雁，大雁们的态度也由此转变，开始接纳他与雄鹅。尼尔斯解救被老鼠侵占的格里敏大楼之后，动物们对他更是亲热，还破例让他参加一年一度的鹤之舞表演大会。会中，斯密尔为了报复雁群 ，咬死了一只大雁，但他也受到了严惩——被逐出境。狐狸一直对雁群怀恨在心，现在更是一路追踪，伺机报复。在罗纳比河，还怂勇紫貂和水獭偷袭雁群，但都被尼尔斯打破了计划，大家对他的信任又进了一步。
尼尔斯在这趟旅程中缓缓成长，他帮助莫顿救了受伤的灰雁，躲过了黑乌鸦的袭击，解救绿头鸭，还阻止了人们的排水计划，对雁群纠缠不放的斯密尔也得到应有的下场，随着好事的增加，尼尔斯在动物间也美名远扬。有一天，巴塔基告诉他一个恢复人形的办法——找人当替身！有一名大学生想当小人儿，但善良的尼尔斯放弃了这个机会，反而帮他找手稿。回归了雁群，又与邓芬结识为友，当初她被两个姐姐抛弃，现在能回家吗？在帮助邓芬的过程中，尼尔斯意外被邓芬的姐姐扔到了海里，被渔夫拾得后卖给了克莱门特先生。他对尼尔斯很友好，并许诺尼尔斯等他回来就还他自由。后来发现阿卡重见到的干儿子高尔果被关进笼子，尼尔斯挫断钢丝救出了高尔果，并在他的带领下见到了先生，得知诺言失效后，回到了雁群。
这时，南飞的旅程开启了。尼尔斯本想同大雁离开，但又担心家中的亲人，于是向奶牛打听情况，一听家中情况很糟，他就不愿再走了。此时雄鹅还有七只大雁被他妈妈抓住了，尼尔斯听到了雄鹅呼叫救声，虽然他知道鹅死了自己就能变回去，但还是冲进了木门，阻止爸妈。爸爸妈妈见他回来感动不已，搂他进屋，这肘他发现自己变回了一个人。最后，他与雁群依依惜别，可惜的是，他不能听懂禽兽的语言了。
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