Amélie Poulain wird als Tochter eines ehemaligen Sanitätsoffiziers und einer Lehrerin in einem Vorort von Paris geboren. Als Kind erhält sie nur wenig Zuwendung von ihren Eltern, besonders von ihrem Vater, der sie nur bei seinen regelmäßigen medizinischen Untersuchungen berührt. Da das Herz der Kleinen daher bei den Untersuchungen immer vor Freude schnell schlägt, diagnostiziert ihr Vater fälschlich einen Herzfehler. Dadurch unterbleibt dann auch jeglicher Kontakt mit anderen Kindern, da ihre Mutter sie aus Sorge nicht zur Schule gehen lässt, sondern zu Hause erzieht. Doch Amélie weiß sich in ihrer einsamen Lebenssituation zu helfen und erfindet ihre eigene Fantasiewelt, in die sie sich immer mehr zurückzieht.
Als junge Frau zieht Amélie aus ihrem einsamen Elternhaus aus und arbeitet als Kellnerin im iCafé des 2 Moulins/i im Pariser Stadtteil Montmartre. In ihrem grauen Alltag findet sie Freude an den kleinen Dingen des Lebens. Sie beschließt, ihr weiteres Leben damit zu verbringen, anderen Menschen zu helfen. Dieser Aufgabe widmet sie sich auf unterschiedlichste u
nd fantasievollste Weise. Sie trifft dabei wiederholt auf Nino Quincampoix, einen Sammler von weggeworfenen Bildern aus Fotoautomaten, und erkennt in ihm einen Seelenverwandten. Sie verliebt sich in ihn und die beiden finden auf Umwegen schließlich zusammen.
Die Dreharbeiten für den Film fanden unter anderem im iCafé des 2 Moulins/i im Pariser Stadtteil Montmartre, in und an den Bahnhöfen Gare du Nord und Gare de l’Est, im Gemüseladen iAu Marché de la Butte/i in Montmartre und um die Kirche Sacré-Cœur herum statt. Der Film wurde von der deutschen Filmstiftung NRW finanziell gefördert, daher wurden viele Innenaufnahmen im Coloneum in Köln gedreht. Dabei steuerte der deutsche Maler Michael Stowa einige skurrile Ausstattungsgegenstände bei, wie zum Beispiel die Schweinelampe und einige Bilder in Amélies Zimmer. Das Gemälde, das im Film von dem Maler Raymond Dufayel gemalt wird, ist iDas Frühstück der Ruderer/i von Pierre-Auguste Renoir.