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尼尔斯出生于瑞典南部的一个小农庄，他生性顽皮，不爱读书，喜欢各种恶作剧。有一天，他无意间冒犯了一个小精灵，小精灵一气之下把他变成了一个拇指大的小人儿。正当他惊异于自身变化的时候，家里的雄鹅莫顿感受到大雁的呼唤，想与大雁一齐飞行。为了挽留莫顿，尼尔斯紧紧地搂住了他的脖子。不料，莫顿将他带上了天空。于是，尼尔斯骑在鹅背上，跟随大雁开始了他的旅行。

尼尔斯和雄鹅、大雁阿卡和它的大雁们参加了鹤之舞表演大会，偶遇小灰雁邓芬，帮助鹅姑娘和小马茨在湖面脱险，把乌普萨拉的大学生的手稿找回来；把渡鸦巴塔基从一个屋子里救出来，挫开钢丝救老鹰高尔果，从强盗手里救下了松鼠西尔莱的妻子；杀死了残暴的乌鸦首领黑旋风；从狐狸斯密尔的嘴里救下了一只大雁。

动物们本来都很讨厌尼尔斯，可是变小后的尼尔斯经常帮助小动物，动物们慢慢又喜欢他了。尼尔斯和雄鹅加入了灰雁头领艾卡带领的灰雁队伍，它们一起旅行。尼尔斯为了救灰雁，得罪了狡猾的狐狸斯密尔。斯密尔蓄意报复，好几次都差点把尼尔斯害死。聪明的尼尔斯请一条家犬帮忙，抓住了斯密尔。随后斯密尔被家犬的主人卖到了动物园，过着没有自由的生活。

因为意外，尼尔斯与大雁队伍走散了。他发现曾经救过自己的老雕高尔果被锁在动物园的笼子里，失去了自由。他帮高尔果逃离笼子，得知艾卡曾养育过高尔果，但是它们后来产生了矛盾，谁也不理谁了。当高尔果帮尼尔斯重回雁群后，尼尔斯调解了高尔果和艾卡的矛盾，两个动物重归于好。后来，尼尔斯从艾卡口中得知自己父母过得并不好，急切想回家看看。最后，他们飞往了威曼豪格——尼尔斯的家。在他的爸爸妈妈要杀掉雄鹅莫顿和灰雁邓芬的时候不顾一切跑向屋子，捶着大门，解救了邓芬和莫顿，而且自己也变回了原样，而且长得更高了。