Die elfjährige Coraline Jones bezieht mit ihren Eltern eine Wohnung in einer abgelegenen, heruntergekommenen Villa auf dem Land, die mittlerweile zu einem Mehrfamilienhaus umgebaut wurde. Coralines vielbeschäftigte Eltern schenken der fantasievollen Tochter kaum Beachtung und arbeiten fieberhaft an der bevorstehenden Veröffentlichung eines gemeinsamen Gartenkatalogs. Coraline macht sich mit einer Wünschelrute auf die Suche nach einem alten Brunnen. Sie trifft auf Wyborne Lovat, genannt „Wybie“. Der naseweise und geschwätzige Nachbarsjunge, dessen Großmutter die Villa gehört, hat eine Vorliebe für dunkle Kleidung und skurrile Auftritte, die stets von einem schwarzen Kater begleitet werden. Ebenfalls exzentrisch sind Coralines Nachbarn. Der russische Emigrant und riesige Akrobat Mr. Bobinsky lebt im Dachgeschoss und gibt vor, heimlich einen Springmäusezirkus zu trainieren. Das Kellergeschoss bewohnen die beiden ehemaligen britischen Varietékünstlerinnen Miss Spink und Miss Forcible, die drei Scottish Terrier halten, welche wie ihre ausgestopften Vorfahren von ihnen verehrt werden.
Als sich Coraline langweilt, stößt sie im Wohnzimmer auf eine verschlossene kleine Tür, die sich hinter der Tapete befindet. Als ihre Mutter die Tür mit einem Schlüssel öffnet, verbirgt sich dahinter nur eine Backsteinmauer. Kurze Zeit später stattet Wybie Coraline einen Besuch ab und schenkt ihr eine Puppe, die ihr erstaunlich ähnlich sieht. Er hat diese bei seiner Großmutter gefunden. Wybies Großmutter hat ihrem Enkel strengstens verboten, das Mietshaus zu betreten, da deren Schwester im Kindesalter vor langer Zeit spurlos im Haus verschwand. In derselben Nacht wird Coraline von einer kleinen knopfäugigen Springmaus geweckt. Sie folgt dieser durch die Tür in der Wand, hinter der sich nun ein Tunnel in eine andere Welt befindet, in der Coraline die nötige Zuwendung und Aufmerksamkeit bekommt, die ihr bisher versagt blieb.
In dieser Welt sind Coralines Eltern stets gutgelaunt. Ihre andere Mutter kümmert sich regelmäßig um ein köstliches Abendessen, der Vater übt an einem mechanischen Klavier und gestaltet den Garten nach dem Antlitz seiner Tochter. Der aufdringliche und hyperaktive Wybie hat die Sprache verloren und kann das Mädchen nicht mehr unterbrechen. Mr. Bobinsky lädt sie in eine Vorstellung des Springmäusezirkus ein, während die beiden alternden Revuestars einige Gesangsnummern für Coraline aufführen und wieder an Jugend gewinnen. Mehrfach besucht das Mädchen die Parallelwelt, deren Menschen und Tiere sich scheinbar nur durch Knöpfe anstelle von Augen von ihren Ebenbildern in der realen Welt unterscheiden. Dort trifft sie auch auf Wybies Kater, der wie sie den Tunnel durchquert hat und nun die menschliche Sprache beherrscht. Er und Coraline sind die einzigen in der Parallelwelt, die über normale Augen verfügen. Er beginnt Coraline vor ihrer anderen Mutter zu warnen.
Dieses Schlaraffenland beginnt, sich in einen Alptraum zu verwandeln, als Coraline das Angebot der anderen Mutter ausschlägt, ihre Augen ebenfalls gegen zwei Knöpfe auszutauschen, um auf diese Weise auf ewig Asyl in der schönen Parallelwelt zu erhalten. Hinter der anderen Mutter verbirgt sich in Wirklichkeit eine alte spinnenartige Frau, die Kinderseelen fängt, um diese als Mittel gegen ihre Einsamkeit zu versklaven. Als Spion in der tristen Wirklichkeit bediente sich die Hexe der identisch aussehenden Puppe, die Wybie Coraline einst ohne böse Absichten schenkte. Coraline erkennt, dass das versprochene Schlaraffenland hinter dem wenige Meter entfernten Waldrand aufhört und dass es sich bei den meisten Menschen und Tieren in Wirklichkeit nur um einfache Stoffpuppen handelt.
In einem Spiel mit der Hexe befreit Coraline mit Hilfe des anderen Wybie, der Katze und einem magischen Stein von Miss Spink und Miss Forcible die drei bisher erbeuteten Kinderseelen, darunter auch die verschwundene Schwester ihrer Vermieterin. Auch gelingt es Coraline, ihre Eltern zu retten, welche die Hexe aus der realen Welt entführt und in eine Schneekugel gesperrt hat. Zurück in der wirklichen Welt, wehrt Coraline mit Hilfe von Wybie einen erneuten Angriff der Hexe ab. Deren Klaue versucht vergeblich, in den Besitz des Wandtürschlüssels zu gelangen, der von den beiden Kindern im tiefen Brunnen versenkt wird. Coralines Eltern haben nach der Vertreibung der Hexe keine Erinnerungen an die Geschehnisse. Sie widmen ihrer Tochter nach der Katalogveröffentlichung mehr Aufmerksamkeit und machen ihr auch Geschenke. Im Sommer bepflanzen Mutter und Vater gemeinsam mit den übrigen Nachbarn auf Coralines Wunsch den Garten mit Tulpen. Auch Wybie und seine Großmutter schließen sich der Gartengesellschaft an.
