De film draait om de 15-jarige Dorothy Gale, die met haar tante Em, haar oom Henry en haar hondje Toto in een boerderij in het Amerikaanse Kansas woont. Wanneer op een dag een tornado hun huis treft, kunnen Dorothy en Toto als enigen niet op tijd in de schuilkelder onder het huis komen. Ze zijn gedwongen in het huis zelf te schuilen. Het huis wordt door de tornado echter weggeblazen naar het magische land van Oz.

Kort na haar aankomst in Oz blijkt dat Dorothy onbedoeld een slechte heks (de boze heks van het oosten) heeft uitgeschakeld omdat haar huis bovenop haar is geland. Glinda, een goede heks (van het noorden), geeft Dorothy de magische schoenen van de gedode heks omdat deze Dorothy beschermen tegen de zus van de heks die ze net gedood heeft: de slechte heks van het westen. Tevens vertelt ze Dorothy dat, als ze ooit nog terug wil keren naar Kansas, ze de hulp moet verkrijgen van de grote tovenaar van Oz ("The Wonderful Wizard of Oz").

Dorothy maakt de tocht naar de tovenaar. Onderweg naar de tovenaar maakt zij nieuwe vrienden die om uiteenlopende redenen ook de tovenaar willen bezoeken: een vogelverschrikker die hersens nodig heeft, een blikken man die graag een hart wil, en een bange leeuw die hoopt dat de tovenaar hem meer moed kan geven. Deze hebben ieder voor zich hun beperkingen, maar vormen gezamenlijk een effectief team, geleid door Dorothy. Later ontwikkelen zij zich tot trouwe bondgenoten.

Uiteindelijk vinden ze de tovenaar, maar die wil hun wensen enkel inwilligen als ze voor hem eerst de bezem van de slechte heks van het westen brengen. De groep begeeft zich naar haar kasteel, waar - na een gevecht met de soldaten van de heks - Dorothy de heks per ongeluk verslaat door water over haar heen te gooien, waardoor de heks smelt.

Terug bij de tovenaar blijkt echter dat deze helemaal geen tovenaar is, maar een gewone man die, net als Dorothy, uit Kansas komt. Hij is in Oz beland door een ongeluk met een op hol geslagen luchtballon. Hij slaagt er, ondanks zijn gebrek aan toverkunst, toch in de leeuw, de vogelverschrikker en de blikken man te geven wat ze hebben willen. Vervolgens biedt hij Dorothy aan om haar terug te brengen naar Kansas met dezelfde ballon die hem naar Oz heeft gebracht. Dit plan mislukt wanneer Toto op het laatste moment uit de mand springt en Dorothy hem achterna rent, waardoor de ballon zonder haar vertrekt. Dan duikt Glinda echter weer op en onthult dat Dorothy met behulp van de schoenen huiswaarts kan keren. Met hulp van Glinda slaagt Dorothy hierin.