尼尔斯住在瑞典的一座小乡村，他调皮捣蛋，经常欺负家里的小动物。一次，他捉弄家中的小精灵，被魔法变成拇指大的小人。他想变回原样，可被他欺负过的小动物都不愿帮他。
这时，一群大雁往北方迁徙，家里的雄鹅莫顿想跟着雁群飞走。尼尔斯担心雄鹅离开，连忙阻拦，却不小心被带上天空，跟着雁群开启了旅行。
起初，雄鹅莫顿对他充满敌意，雁群首领阿卡也不信任人类，怕他给雁群带来危险，对他十分抵触。后来，狐狸斯密尔叼走大雁，还想加害莫顿，尼尔斯不顾危险，从狐狸口中救回大雁和莫顿，这才赢得大家的信任。
旅途中，尼尔斯见识了瑞典的自然风光，也经历了诸多的冒险。他在库拉岛教训屡次偷袭雁群的狐狸斯密尔，在厄兰岛细心救治受伤的小灰雁并助其康复，在小卡尔斯岛帮助山羊赶跑作恶的狐狸，还在森林深处解救了被困的老鹰高尔果……在一次次经历中，尼尔斯彻底改变，改掉了调皮捣蛋的坏毛病，变成善良、勇敢、有担当的少年。
飞越波罗的海前，阿卡劝尼尔斯回家看看。他回到家，发现父母以为他失踪，整日忧心忡忡。幸亏放鹅姑娘及时赶到，将尼尔斯变小后跟随大雁旅行、一路改过自新的经历如实告诉了他的父母，父母听后才彻底打消了疑虑，不再担忧。
此时，公鹅莫顿带着几只大雁也回家探望家人，母亲见了打算杀掉它过节吃。尼尔斯不顾身形矮小，冲上去救朋友，这一刻他变回了正常人，这段奇妙的骑鹅之旅也结束了。
