La película comienza en Colombia, donde Alma Madrigal (María Cecilia Botero) le cuenta a su nieta Mirabel (Noemí Josefina Flores) la historia de cómo surgió su familia. Alma estuvo casada con un hombre llamado Pedro y tuvieron tres hijos, pero tuvieron que huir de su casa por culpa de los conquistadores. Pedro murió protegiendo a su familia, pero a partir de la tragedia, una vela que llevaba Alma forma un encantamiento (el Encanto titular) que produce energía mágica, creando un hogar (o "Casita") para Alma y su familia y otorgando a sus hijos poderes cuando tocan los pomos de sus habitaciones el día que cumplen la mayoría de edad. El resto del pueblo también se beneficia de la magia. Es el día de la ceremonia de entrega de Mirabel, donde verá cuál será su poder especial. La niña alcanza el pomo de la puerta.

Salta al presente, donde Mirabel (ahora interpretada por Stephanie Beatriz) está ayudando a su familia a prepararse porque su primito Antonio (Ravi Cabot-Conyers) está listo para su ceremonia de regalos. Fuera, un grupo de niños se acerca a la Casita para preguntar a Mirabel por su familia. Ella les explica la historia de su familia ("El Madrigal de la Familia") - su madre Julieta (Angie Cepeda) tiene el poder de curar a la gente con su comida, y está casada con Agustín (Wilmer Valderrama). Mirabel tiene dos hermanas: Luisa (Jessica Darrow), que tiene superfuerza, e Isabela (Diane Guerrero), la hermana "perfecta" que puede hacer florecer las flores en cualquier lugar. Tía Pepa (Carolina Gaitán) está casada con Félix (Mauro Castillo), y tiene el poder de manipular el clima según sus emociones. Tienen tres hijos: Dolores (Adassa), que puede escuchar todo a cualquier distancia; Camilo (Rhenzy Feliz), que puede cambiar de forma; y Antonio. Julieta y Pepa también tienen un hermano, Bruno (John Leguizamo), que tiene el don de ver el futuro, pero es un paria y a la familia no le gusta hablar de él. Sin embargo, a pesar de que Mirabel intenta esquivar las preguntas de los niños sobre su don, Dolores les dice que Mirabel nunca tuvo un don. Actúa como si no le molestara, pero en el fondo sí.

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Mirabel regala a Antonio antes de la ceremonia un tigre de peluche ya que es amante de los animales. No se lleva bien con Isabela debido a que esta última es snob por lo perfecta que la ven todos. Más tarde, la familia se reúne mientras Antonio se dirige a su puerta y toca el pomo. La puerta brilla y un tucán se posa en el brazo de Antonio, lo que significa que ha recibido el don de hablar con los animales. Mirabel se aleja tristemente mientras recuerda el día de la ceremonia de su regalo, y cómo la puerta simplemente desapareció cuando no recibió un regalo, y desea poder ser tan especial como el resto de su familia ("Esperando un milagro"). De repente, un azulejo del techo se cae, y las baldosas del suelo empiezan a resquebrajarse. La vela también parece apagarse, a pesar de que Alma le dice a Mirabel que nunca se apaga. Mirabel va a alertar a la familia, pero cuando regresan, todo parece estar intacto, y piensan que Mirabel está tratando de causar un alboroto sin razón.

Al día siguiente, Mirabel intenta preguntar a Dolores si ha oído algo sospechoso. Dolores trata de esquivar cualquier conversación sospechosa, pero le dice a Mirabel que pudo oír el temblor de ojos de Luisa. La familia se reúne porque un pretendiente vecino, Mariano Guzmán (Maluma), quiere cortejar y casarse con Isabela. Aunque Mirabel intenta llamar la atención de Luisa, Alma sigue creyendo que Mirabel sólo quiere llamar la atención.

Mirabel sigue entonces a Luisa mientras realiza sus tareas en el pueblo, arreglando cualquier cosa en la que su fuerza pueda ayudar. Luisa actúa como si todo estuviera bien ya que es súper fuerte ("Presión superficial"), pero luego deja claro que siente una necesidad constante de demostrar que es la más fuerte. Le da a Mirabel un abrazo que le rompe la espalda y admite que se sintió físicamente débil después de que Mirabel mencionara las grietas en la Casita. Luisa le dice que vaya a la torre de Bruno en su casa para encontrar más respuestas.

Mirabel se cuela en la habitación abandonada de Bruno, donde la magia de la Casita no puede ayudarla. Tras subir una alta escalera y balancearse hasta otra cornisa, se encuentra con una especie de cueva en la que encuentra fragmentos rotos de una de las visiones de Bruno. Mirabel une las piezas y ve una imagen de sí misma. La cueva empieza a derrumbarse y a bajar, así que Mirabel coge todos los fragmentos y sale corriendo de la habitación antes de quedar atrapada allí.

Mientras está en su habitación, Mirabel encuentra a Pepa recogiendo las últimas pertenencias de Antonio, pero el estrés de la situación actual hace que se forme una nube de lluvia sobre su cabeza. Mirabel intenta preguntar por Bruno, pero tanto Pepa como Félix, así como el resto de la familia e incluso la gente del pueblo, se niegan a hablar del hombre ("De Bruno no se habla"). Cada vez que tenía una visión, ésta se hacía realidad y traía consecuencias negativas para todos. En particular, el día de su boda le dijo a Pepa que "parecía que iba a llover", lo que le llevó a provocar una fuerte tormenta.

Mirabel une las piezas de la visión y se ve a sí misma de pie frente a la Casita con un aspecto muy dañado. Agustín entra en su habitación y ve la visión antes de advertir a Mirabel que no deje que nadie sepa lo que ha visto. Por desgracia para ellos, Dolores estaba cerca y lo oyó todo.

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Los Madrigal se reúnen mientras Mariano y sus padres los visitan para preparar el compromiso. Mientras Mirabel intenta mantener la compostura, Dolores se lo cuenta todo a su familia, que sigue pasando de todo. Alma vuelve a culpar a Mirabel por portarse mal, lo que hace que la Casita se resquebraje un poco más y que los poderes de la familia se vuelvan locos. Camilo no puede controlar su cambio de forma, Pepa provoca una tormenta en la casa, Luisa no puede ni arrastrar un piano a la habitación, e Isabela crea accidentalmente una enredadera de flores que golpea a Mariano en la cara. Isabela le dice a Mirabel que la odia.

Mirabel comienza a llevar los fragmentos de visión a su habitación, pero se le cae uno. Una rata recoge el fragmento y se lo lleva a Bruno, que se esconde detrás de las paredes de la Casita. Mirabel lo sigue y encuentra su pequeño escondite, ya que la familia creía que se había exiliado, pero sólo ha estado viviendo detrás de la cocina para que las ratas le lleven comida. Mirabel le pide ayuda, pero él no quiere porque sabe que sus visiones siempre hacen infeliz a la gente. Le cuenta que Alma se preocupó por la magia el día de la ceremonia de los regalos de Mirabel, y le preocupa que por eso no haya recibido un regalo. Los encuentra Antonio, ya que las ratas le contaron lo que pasa, y con su ánimo, Bruno acepta compartir una nueva visión con Mirabel. Siguen viéndola de pie frente a la Casita agrietada, pero algo nuevo sucede cuando Mirabel ve una mariposa antes de estar de pie frente a la vela y abrazando a alguien, que resulta ser Isabela. Mirabel inicialmente se niega a abrazar a Isabela, pero piensa que debe hacerlo si eso significa salvar la Casita.

Mirabel va a la habitación de Isabela para intentar abrazarla, pero Isabela sigue enfadada con Mirabel. Intenta arrastrar a Mirabel con lianas, pero se enfada más cuando Mirabel se refiere a Isabela como "egoísta". Isabela dice que siempre ha tenido que mantener una imagen perfecta para la familia y que ni siquiera quería comprometerse con Mariano, pero que lo habría hecho por el bien de la familia. Manifiesta un cactus, que reconoce que no es convencionalmente bello como sus flores, pero aún así encuentra la belleza en él y se asombra de poder crear más ("¿Qué más puedo hacer?"). Esto ayuda a Isabela a superar su enfado con Mirabel, y acaban abrazándose frente a la vela, como predijo la visión.

Alma entra en la Casita y ve a Isabela cubierta de diferentes colores antes de reprender a Mirabel y decir que ella es la razón por la que la Casita se está rompiendo y por la que los poderes de todos están fuera de control. Piensa que Mirabel está arremetiendo contra ella por su falta de don, pero Mirabel le responde que las altas expectativas de Alma sobre su familia son las que los están hundiendo, y que en realidad es su propia culpa que todo vaya mal. El suelo comienza entonces a resquebrajarse con más fuerza, y toda la Casita empieza a desmoronarse y a caer. Mirabel intenta apresurarse para salvar la vela, que se derrite rápidamente. La Casita utiliza lo último de su poder para proteger a Mirabel y se derrumba por completo. Los Madrigal están devastados por la pérdida de su hogar, y el Encanto se desvanece también del resto del pueblo.

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Mirabel huye junto al río donde llora para sí misma. Alma se acerca y la encuentra, diciendo que es aquí donde Pedro fue asesinado. Ella tenía el corazón roto hasta que el Encanto cobró vida, y admite que pasó tanto tiempo tratando de proteger la magia y mantener lo que hacía a la familia especial, pero perdió de vista lo que realmente hizo a su familia ser quien es. Un flashback muestra a Pedro y Alma cuando se enamoraron, se casaron y criaron a sus hijos antes de verse obligados a huir de su hogar. El Encanto hizo volar a los soldados asesinos y lo creó todo. Mirabel ve entonces la mariposa de la visión de Bruno y, tras reconciliarse con Alma, se abrazan. Los encuentra Bruno, que llega montado en un caballo, y su madre lo abraza por primera vez en años.

Los tres regresan a casa y, con la ayuda de los habitantes del pueblo, comienzan a reconstruir la Casita. Bruno se reencuentra con la familia, y Julieta y Pepa se alegran de volver a verlo. Mariano también acaba enamorándose de Dolores, ya que ella le cuenta lo que ha oído de él. Las Madrigales se reúnen para honrarse entre ellas ("Todas vosotras") pero también elogian a Mirabel por ser la que las ha vuelto a reunir a todas. Le regalan un pomo que han hecho sólo para ella, y una vez que lo coloca en la puerta principal, la Casita y toda la magia se restablecen. Los habitantes del pueblo lo celebran y los Madrigal se reúnen para una foto de familia completa.