Film ini diawali dengan Barbie yang sedang mengajak sekelompok anak-anak untuk melakukan gerakan penghijauan. Para anak-anak itu disuruh Barbie untuk menanam pohon-pohon kecil di sebuah padang rumput. Seorang anak yang bernama Ema ditertawakan oleh teman-temannya karena menanam pohon yang paling kecil diantara teman-temannya. Ema merasa sedih dan rendah diri maka Barbie menghiburnya dengan menceritakan sebuah cerita tentang mahkluk-mahkluk kecil yang berjasa besar bernama Lebah Twiller (Twillerbee).
Begini cerita tentang Twillerbee itu :
Twillerbee adalah mahkluk kecil yang bentuknya mirip dengan manusia tetapi ukurannya hanya sebesar telapak tangan manusia. Biarpun kecil, para mahkluk Twillerbee mempunyai kekuatan ajaib yang tidak dimiliki manusia yaitu bisa membuat tanaman tumbuh sangat cepat.
Biarpun mempunyai kekuatan gaib tetapi Twillerbee sangat takut dengan manusia, mereka akan segera bersembunyi jika bertemu dengan manusia. Sampai suatu ketika ada Twillerbee yang pemberani bernama Thumbelina.
Salah satu bentuk keberanian Thumbelina adalah membuat sayap dari kelopak bunga untuk dipakai terbang. Thumbelina megajak dua sahabatnya yaitu Chrysella dan Janessa untuk memakai sayap buatan itu dan melompat dari tempat yang tinggi.
Dua sahabat Thumbelina itu tentu saja tidak berani melakukannya tetapi Thumbelina dengan berani melakukannya dan ternyata benar-benar bisa terbang dengan sayap buatannya, maka 2 sahabatnya baru berani ikut terbang dengan sayap buatan itu. Akhirnya mereka bertiga terbang dengan seekor burung kolibri bernama Lola.
Ketika sedang asyik terbang, datang seorang gadis kecil bernama Makena dengan kedua orang tuanya. Disinilah semua masalah berawal.
Kedua orang tua Makena adalah kontraktor dan berencana membangun pabrik di padang rumput tempat Twillerbee tinggal. Makena sebenarnya seorang anak yang baik tetapi sayangnya salah memilih teman yaitu berteman dengan gadis kecil bernama Violet.
Kekayaan orang tua Violet sama dengan orang tua Makena., maka Makena dan Violet saling berlomba untuk membuat iri dengan barang mewah yang dimilikinya.
Untuk membuat Violet iri, Makena meminta orang tuanya mengambil sebidang tanah yang penuh dengan bunga tulip tempat Thumbelina dan kawan-kawannya sedang bermain untuk dipindahkan ke taman di rumah.
Orang tua Makena yang sangat sayang kepada anak tunggalnya mengabulkan permintaan itu. Maka Thumbelina, Chrysella, Janessa dan Lola ikut terbawa ke rumah Makena.
Biarpun tidak terlihat oleh Makena, Thumbelina mendengar bahwa padang rumput tempat tinggalnya bersama Twillerbee lainnya akan digusur untuk dibangun pabrik oleh orang tua Makena. Maka dengan berani Thumbelina menampakkan dirinya kepada Makena dan meminta proyek pembangunan pabrik itu dibatalkan.
Pada awalnya sempat terjadi konflik antara Makena dan Thumbelina tetapi akhirnya Thumbellina bisa membuat perjanjian dengan Makena. Thumbelina dengan kekuatan gaibnya bersedia membantu Makena untuk membuat iri Violet sedangkan Makena harus membujuk orangtuanya untuk membatalkan pembangunan pabrik.
Selanjutnya perjuangan Thumbelina dan kawan-kawannya dibagi menjadi 2 bagian. Thumbelina tetap tinggal di rumah Makena untuk membujuk orang tua Makena sedangkan Chrissela,Janessa dan Lola pulang ke padang rumput tempat tinggal para Twillerbee yang sekarang sudah didatangi 3 buldozer yang siap menggusur.
Perjuangan Thumbelina dan kawan-kawan untuk mempertahankan tempat tinggalnya ternyata tidak mudah. Makena ternyata kesulitan membujuk kedua orang tuanya untuk membatalkan proyek pembuatan pabrik bahkan sempat terjadi kesalah pahaman antara Thumbelina dan Makena. Thumbelina merasa bahwa Makena akan menggunakan dirinya untuk dipamerkan kepada Violet. Thumbelina marah dan pulang ke padang rumput.
Sedangkan Chrissela dan Janessa biarpun sudah dibantu oleh semua mahkluk Twillerbee dan burung-burung kolibri teman-teman Lola, tetap kesulitan untuk mengusir buldoser-buldoser yang siap menggusur kapan saja.
Tetapi berkat Makena yang datang ke padang rumput untuk minta maaf kepada Thumbelina dan kawan-kawan, mereka bisa bersatu lagi dan bisa menggagalkan proyek pembuatan pabrik yang menggusur tempat tinggal para Twillerbee.