De film begint in Londen, in het huis van de familie Van Dalen. George van Dalen en zijn vrouw Mary zijn zich aan het klaarmaken voor een feest. Hun kinderen, Wendy, Michiel en Jan, zijn in de kamer aan het spelen. Michiel en John spelen zoals gewoonlijk Peter Pan hun grote held waar grote zus Wendy hun geregeld verhalen over vertelt. George vindt echter dat Wendy zich een tikkeltje volwassener moet gaan gedragen en haar kinderlijke fantasie dient te beperken.
Als het echtpaar Van Dalen net naar het feest vertrokken zijn en de kinderen slapen, klapt opeens het raam open en er verschijnt een jongen in gezelschap van een klein lichtje: Peter Pan en het elfje Tinker Bell. Ze zijn op zoek naar de schaduw van Peter, die hij bij een vorig bezoek aan het huis is verloren en die toen door Wendy is gevonden. Wendy wordt wakker en helpt Peter zijn schaduw terug te krijgen door de schaduw aan Peters voet vast te naaien. Wanneer Peter hoort dat Wendy volwassen moet worden van haar vader, besluit hij dit te voorkomen door haar en haar broers mee te nemen naar zijn land, het eiland Fantasieland. Hij leert hen eerst vliegen en dan vliegen ze samen weg, eerst over Londen en dan de hemel in.
Eenmaal aangekomen in Fantasieland staan de vier op een wolk en kijken uit over het eiland. Dan worden ze ineens beschoten vanaf het schip van kapitein Haak, de beruchte piratenhoofdman van het eiland. Peter geeft Tinker Bell opdracht om Wendy en de jongens snel naar zijn schuilplaats te brengen. Tinker Bell, die een grote jaloezie koestert tegen Wendy vanwege haar vriendschap met Peter Pan, maakt echter van de gelegenheid gebruik om de Slimme Jongens – Peters bende – tegen Wendy op te zetten zodat ze op haar gaan schieten. Peter redt Wendy, brengt de Slimme Jongens snel tot inzicht en verbant Tinker Bell voor een week.
John en Michiel gaan met de Slimme Jongens op pad, maar worden gevangengenomen door een groep indianen. Tijgerlelie, de dochter van het opperhoofd, is ontvoerd. De Slimme Jongens en Jan en Michiel worden van de ontvoering verdacht en door het opperhoofd met de dood bedreigd als Tijgerlelie niet voor de zon ondergaat is teruggevonden. Ondertussen neemt Peter Wendy mee naar de zeemeerminnen. Even later zien Peter en Wendy kapitein Haak en meneer Smee samen met Tijgerlelie in een roeiboot langskomen; zij zijn degenen die Tijgerlelie hebben ontvoerd, in de hoop dat zij hun de schuilplaats van Peter Pan vertelt. Een van Haaks handen is bij een eerder gevecht met Peter Pan afgehakt en door een krokodil opgegeten, waarna de kapitein zijn hand door een haak heeft vervangen. Haak heeft gezworen hiervoor bloedig wraak te nemen. De krokodil heeft ook een klok van Haak ingeslikt en is daardoor door het getik steeds op afstand te horen. Als Tijgerlelie weigert iets te vertellen, wordt ze door de kapitein vastgebonden aan een paal in het water om te verdrinken. Peter leidt Smee en de kapitein af en slaagt er nog net op tijd in Tijgerlelie te redden waarna hij haar terugbrengt naar haar stam. Haak vlucht terug naar zijn schip, opnieuw achtervolgd door de krokodil.
Het opperhoofd laat de Slimme Jongens en Jan en Michiel natuurlijk gaan wanneer hij zijn dochter terugziet en uit dank voor de redding organiseert hij een groot feest. Iedereen heeft dolle pret, alleen Wendy wordt buitengesloten omdat ze een squaw is. Daarop krijgt Wendy genoeg van haar verblijf in Fantasieland. Wanneer ze allemaal terug zijn in het hol van Peter, vertelt Wendy over haar ouders in Londen en herinnert haar twee broers eraan hoe goed het thuis was. Ze biedt de Slimme Jongens, die zonder ouders zijn opgegroeid, aan om mee terug te gaan naar Londen, zodat ze daar geadopteerd kunnen worden. Peter is diep teleurgesteld; hij heeft een grote afkeer van de wereld van de volwassenen.
Ondertussen verneemt Haak op zijn schip dat Tinker Bell verbannen is. Hij laat haar vangen door meneer Smee. Door te doen alsof hij alleen Wendy gevangen wil nemen, krijgt Haak het elfje zover dat ze hem de schuilplaats van Peter verraadt, waarna hij haar opsluit. Haak en zijn piraten zetten een val bij de schuilplaats en vangen Wendy, Jan, Michiel en alle Slimme Jongens op het moment dat die naar buiten komen. Als de kinderen eenmaal aan boord van het piratenschip weigeren om zich bij Haaks bende aan te sluiten, worden ze ter dood veroordeeld. Voor Peter laat Haak een pakje achter met een bom erin. Dankzij Tinker Bell, die van het piratenschip heeft kunnen ontsnappen en Peter het pakje net op tijd uit zijn handen rukt, ontkomt Peter aan de dodelijke aanslag.
Peter haast zich naar het schip en bevrijdt de kinderen, net op het moment dat Wendy als eerste van de plank moet lopen. Daarna volgt een laatste gevecht tussen hem en Haak, waarbij Haak ten slotte in zee valt alwaar hij wordt opgewacht door de krokodil. Peter en de kinderen nemen nu het schip over. Met het schip en de zeilen vol elfenstof zweven ze terug naar Londen om Wendy, Michiel en Jan terug naar hun huis te brengen.
Wanneer de kinderen weer thuis zijn en alles vertellen wat ze hebben meegemaakt, kijkt vader George naar buiten en ziet hoog in de hemel het schip nog even zweven. Dan herkent hij het ineens uit zijn eigen jeugd; hij is zelf dus ook ooit in Fantasieland geweest.