九王爺の反乱で殺された皇帝は、二人の王子を部下、李正と谷龍に託す。兄は玉璽とともに少林寺にひきとられ破戒僧三人にカンフーをおそわり、易筋経を会得する。弟は天王剣とともに、宰相にひきとられる。九王爺は甥を皇帝にして、帝国に君臨していた。成長した王子たちは、運命により協力しあい、九王爺たちを倒す。
5人の当選者とその保護者はウォンカに挨拶し、ウォンカは工場の規則と規定を説明し、保護者たちは長く複雑な誓約書に署名する("Strike That, Reverse It!")。一行は全てが食べられるチョコレート室に入り、子供たちはチョコレートでコーティングされた理想郷を探検する("Pure Imagination")。保護者たちは資産も人材も実用的でないとしてやや批判的になりウォンカは落胆する。ウォンカの警告にも関わらず、オーガスタスはチョコレートの沼から飲み、落ちてしまう。ファッジ室に繋がるパイプに吸い込まれ壮絶な最期となる。小人の従業員であるウンパルンパがやってくるが、オーガスタスを助けようともしない("The Oompa Loompa Song/Auf Wiedersehen Augustus Gloop")。ウォンカはファッジから骨を取り出すことだけを心配し、取り乱したオーガスタスの母親をウォンカは慰めるのに失敗する。一行は悲しむが、ウォンカはオーガスタスは無事だと断言し、ウンパルンパにオーガスタスの母親を息子探しに連れて行かせる。一行は、毛皮のロリポップから、バナナからウランまで使用した光の球「リキッド・サンシャイン」まで新発明や新商品を作るために様々な材料を混ぜる巨大な計量カップのあるミックス室に入る。バイオレットの要望により、ウォンカはフルコースの食事が味わえる棒状のガムを見せる。バイオレットと父親はガム界のスーパースターとなった気がして大喜びする。コースのデザートの部分に問題があり、ウォンカは安全性を保証しなかったが、バイオレットは噛んだだけでなく飲み込んでしまう。ガムに含まれた果汁でバイオレットの体は膨れ上がり、「人間ブルーベリー」となる。ウォンカはウンパルンパにバイオレットと父親を助けるよう命じたが、マイクの母親がウンパルンパの出身地を尋ねたため中断する。バイオレットがどんどん膨らんでいるにも関わらず、ウォンカとウンパルンパは出会った時のことを思い返す("When Willy Met Oompa")。ウンパルンパが吹き矢を吹くと、バイオレットは爆発して紫色の果汁が父親に向けて吹き出す。ウォンカは全く心配する素振りを見せず、バイオレットの父親をジュース室に連れて行き、ウォンカはバイオレットはきっと大丈夫と語る。ウォンカは一行を材料倉庫に連れて行く決心をするが、まず命に関わる罠のある見えない迷路を通らなければならない。一行は迷路が本当に存在するのか疑うが、マイクが見えない罠で殴られて考えを改める。一行は次々とドアを通過するが、ジョーおじいちゃんは充分にかがむことができず通過できない。ウォンカはコースの変更を提案し、ナッツ室に行くことにする。部屋の外で、ナッツを選り分ける従業員であるリスのジェレミーに会う。ベルーカはジェレミーに夢中になり、父親にリスを買ってくれるようねだる。ウォンカにリスの売却を拒否され、ベルーカは癇癪を起こして選別室に入る。ウォンカはリスはとても危険だと警告するが、ベルーカはリスと追いかけっこやダンスをし、そのうちリスたちが凶暴になってくる。ベルーカはリスに掴まれ「悪いナッツ」として扱われ、父親および一行は恐怖に陥れられる("Veruca's Nutcracker Sweet")。ウォンカはウンパルンパがベルーカを連れ戻してくれると語るが、ベルーカの父親はベルーカを助けに行く。マイクの母親はウンパルンパが本当に子供たちを助けられるのかとウォンカを責めるが、ウォンカはマイクの母親を退ける。ウォンカとマイク母子はバスタブの形をしたボートであるウォンカ号に乗り、工場の地下深くの川を進む。ボートに乗り遅れたチャーリーとジョーおじいちゃんはスキューバの服装で泳いでボートを追う。ウォンカにテレビ室に連れて来られ、マイクは大喜びする。ウォンカはチョコレートを画面の中に送り込むチョコレート・テレビを紹介する。機械オタクのマイクは母親とウォンカの制止にも関わらず、自身を画面の中にテレポートさせる。しかし普通のチャンネルではマイクを見つけることができず、ウォンカはマイクを探しやすいようにウンパルンパにマルチ画面にさせる。マイクは次々と違う画面に登場するが、母親がマイクを引っ張り出すとマイクは人形のような小ささとなる("Vidiots")。マイクの母親はこの小ささであればもう息子は悪さをしないだろうと安心し、マイクをハンドバッグに入れ満足気に工場を去る。5人のうちチャーリーのみが工場に残る。ウォンカはチャーリーとジョーおじいちゃんをアイデアを書き綴るイマジン室に連れて行く。ジョーおじいちゃんが賞品である一生分のお菓子について尋ねると、ウォンカはチャーリーに溶けない飴をあげたと語る。ジョーおじいちゃんは賞品が小さい飴1つだったことでウォンカに激怒し喧嘩となる。チャーリーは仲裁しようとし、ジョーおじいちゃんにこの飴は素晴らしいプレゼントで、工場見学も楽しかったと語る。ウォンカは気を取り直してジョーおじいちゃんを事務室に連れて行き書類について説明し、チャーリーに何も触らないよう警告する。チャーリーは警告に反し、ノートを開いてウォンカにだけ見られるよう後ろの空いているページに自身の発明を書き入れる。最初は怒ったウォンカであったが、警告に反したにも関わらず想像力豊かなチャーリーに感銘を受ける。ウォンカはチャーリーの勝ちだと語り、ガラスの大エレベーターに連れて行く。2人はガラスの大エレベーターで天高く昇っていき、ウォンカはチャーリーに賞品はこのチョコレート工場だと語る("The View From Here")。ウォンカはチャーリーの手紙を読んでおり、発明を実現しようと語る。工場の外に着地し、ウォンカはすぐに作業を始めようとするが、チャーリーは家族のことが心配になる。チャーリーの家族は工場の敷地内にすでに引っ越してきており、ウォンカはチャーリーをビジネス・パートナーとして工場に迎え入れる。