En el Japón de los años 50, el profesor universitario Tatsuo Kusakabe y sus dos hijas, Satsuki y Mei (de unos diez y cuatro años, respectivamente), se mudan a una vieja casa para estar más cerca del hospital donde la madre de las niñas, Yasuko, se recupera de una larga enfermedad. La casa está habitada por pequeños espíritus domésticos oscuros, parecidos al polvo, llamados susuwatari, que pueden verse al pasar de lugares luminosos a lugares oscuros[nota 1] Cuando las niñas se sienten cómodas en su nueva casa, los susuwatari se van a buscar otra casa vacía. Un día, Mei descubre dos pequeños espíritus que la llevan al hueco de un gran alcanforero. Se hace amiga de un espíritu más grande, que se identifica por una serie de rugidos que ella interpreta como "Totoro". Mei cree que Totoro es el Troll de su libro ilustrado Three Billy Goats Gruff, y lo pronuncia mal. Se queda dormida encima de Totoro, pero cuando Satsuki la encuentra, está en el suelo. A pesar de muchos intentos, Mei es incapaz de mostrar a su familia el árbol de Totoro. Tatsuo la consuela diciéndole que Totoro se revelará cuando quiera.

Una noche lluviosa, las chicas esperan el autobús de Tatsuo, que llega tarde. Mei se queda dormida en la espalda de Satsuki, y Totoro aparece junto a ellas, permitiendo a Satsuki verlo por primera vez. Totoro sólo lleva una hoja en la cabeza para protegerse de la lluvia, así que Satsuki le ofrece el paraguas que había cogido para su padre. Él, encantado, le da a cambio un paquete de nueces y semillas. Un gato gigante con forma de autobús se detiene en la parada, y Totoro se sube a él y se marcha. Poco después, llega el autobús de Tatsuo. Unos días después de plantar las semillas, las niñas se despiertan a medianoche y encuentran a Totoro y a sus compañeros inmersos en una danza ceremonial alrededor de las semillas plantadas y se unen a ella, haciendo que las semillas crezcan hasta convertirse en un enorme árbol. Totoro lleva a las niñas a dar un paseo en una peonza mágica. Por la mañana, el árbol ha desaparecido, pero las semillas han brotado.

Las niñas se enteran de que la visita prevista de Yasuko tiene que posponerse debido a un contratiempo en su tratamiento. Mei no se lo toma bien y discute con Satsuki, marchándose después al hospital para llevarle maíz fresco a Yasuko. Su desaparición lleva a Satsuki y a los vecinos a buscarla. Desesperada, Satsuki vuelve al árbol de alcanfor y pide la ayuda de Totoro. Éste convoca al Gatobús, que la lleva hasta donde se encuentra la perdida Mei y las hermanas se reencuentran emocionalmente. El autobús las lleva entonces al hospital. Las niñas escuchan una conversación entre sus padres y se enteran de que la niña ha permanecido en el hospital por un pequeño resfriado, pero que por lo demás está bien. Dejan en secreto la mazorca en el alféizar de la ventana, donde sus padres la descubren, y vuelven a casa. Finalmente, Yasuko vuelve a casa y las hermanas juegan con otros niños, mientras Totoro y sus amigos las observan desde lejos.