Сказка повествует о маленьком чудесном городке, который населяют крохотные человечки. Из-за своего маленького роста они получили ласковое название - коротышки. В городке повсюду росли красивые цветы, поэтому коротышки названия улицам давали по именам цветов. Городок назывался Цветочным, в нем жили мальчики и девочки, мальчики назывались малышами, а девочки - малышками. Самого умного малыша звали Знайкой. Коротышку, который лечил малышей, звали доктор Пилюлькин. Были в городе механик по имени Винтик, помощника его звали Шпунтиком. У охотника Пульки была собачка Булька.
Картины рисовал художник Тюбик, музицировал малыш Гусля, и остальные малыши носили такие же говорящие имена. В цветочном городе жил самый выдающийся коротыш, которого звали Незнайкой, потому что он совершенно ничего не знал. Незнайка и его друг Гунька целыми днями слонялись по городу и задирали малышек. Знайка, умный малыш, читал очень много книг, и часто рассказывал другим малышам и малышкам о том, что прочитал. Все коротышки любили слушать его рассказы, особенно о путешествиях и дальних странах. Малыши мечтали отправиться в какое-нибудь путешествие, и Знайка предложил сделать воздушный шар, на котором можно было бы летать.
Через несколько дней Знайка придумал изготовить резиновый шар. Коротышки насобирали резиновый сок, и, с помощью насоса, накачали огромный шар. Потом они накрыли шар сеткой, а к ее концам привязали корзину, сделанную из берёзовой коры. Шар был готов, оставалось сделать парашюты на случай аварии, а также загрузить мешки с песком, для балласта. И вот Знайка назначил дату и время полета. В день вылета коротышки наполнили шар горячим воздухом, забрались в корзину, и отправились путешествовать. Малыши поднялись в воздух, с восторгом наблюдая проплывавшие под ними окрестности. Воздушный шар поднялся так высоко, что от холода заледенел.
От холодного воздуха воздух в шаре остыл и шар стал быстро падать. Знайка сказал, что надо одевать парашюты и прыгать вниз. Он прыгнул первым, и шар снова полетел вверх. Незнайка крикнул, чтобы больше никто не прыгал, и что он теперь будет командовать вместо Знайки. Чтобы опять подняться вверх, Незнайка предложил выбросить кого-нибудь из коротышек с парашютом вниз, тогда шар полетит дальше. Никто не хотел прыгать, и малыши решили посчитаться с помощью считалки. Но не успели, как шар опустился вниз, корзина стукнулась о землю и опрокинулась. Коротышки высыпались из корзины, так завершилось их путешествие.
Малыши упали в разных местах, когда они приходили в себя, они все шли в какой-то город. Так малыши оказались в Зеленом городе, в котором жили одни малышки, потому что малыши из их города не любили трудиться и переселились в Змеевку. Малыши из Солнечного города подружились с малышками из Зелёного города, с малышами из Змеевки. Воспользовавшись общей суматохой, Незнайка всем рассказал, что это была его идея создать воздушный шар. Однако вскоре в Зелёном городе появился Знайка и разоблачил наглого лжеца. В результате с Незнайкой никто не хотел общаться, и его простили только на праздничном балу. Домой путешественники шли пешком.
После путешествия Незнайка очень изменился, он перестал обижать малышек, редко стал играть и принялся за учебу, ему надо было научиться грамоте, чтобы написать письмо Синеглазке в Зелёный город.