Amélie, une jeune serveuse dans un bar de Montmartre, passe son temps à observer les gens et à laisser son imagination divaguer. Elle s'est fixé un but : faire le bien de ceux qui l'entourent. Elle invente alors des stratagèmes pour intervenir incognito dans leur existence. Le chemin d'Amélie est jalonné de rencontres : Georgette, la buraliste hypocondriaque ; Lucien, le commis d'épicerie ; Madeleine Wallace, la concierge portée sur le porto et les chiens empaillés ; Raymond Dufayel alias "l'homme de verre", son voisin qui ne vit qu'à travers une reproduction d'un tableau de Renoir. Cette quête du bonheur amène Amélie à faire la connaissance de Nino Quincampoix, un étrange "prince charmant". Celui-ci partage son temps entre un train fantôme et un sex-shop, et cherche à identifier un inconnu dont la photo réapparaît sans cesse dans plusieurs cabines de Photomaton...

Audrey Tautou (Amélie Poulain), Mathieu Kassovitz (Nino Quincampoix), Rufus (Raphaël Poulain, le père d’Amélie), Serge Merlin (Raymond Dufayel), Jamel Debbouze (Lucien), Yolande Moreau (Madeleine Wallace), Loretta Cravotta (Amandine Poulain, la mère d’Amélie), Artus de Penguern (Hipolito), Urbain Cancelier (Collignon), Dominique Pinon (Joseph), Maurice Bénichou (Dominique Bretodeau), Michel Robin (Le père de Collignon), Claude Perron (Éva), Isabelle Nanty (Georgette), Claire Maurier (Suzanne), Ticky Holgado (L’homme sur une photo), Frankie Pain (La femme du kiosque à journaux), Armelle Lesniak (Philomène), André Dussolier (Voix off), Dominique Bettenfeld (L’homme de l’antenne télévision), Flora Guiet (Amélie Poulain jeune), Frédéric Mitterrand (Lui-même, voix off du reportage)