Mary Lennox spędza wczesne dzieciństwo w Indiach. Rodzice – zapracowany angielski urzędnik i piękna, ale egoistyczna matka – nie poświęcają dziewczynce zbyt wiele uwagi. Mary, dorastająca w otoczeniu hinduskich służących, staje się kapryśnym i rozpieszczonym dzieckiem. Podczas epidemii cholery bohaterka traci oboje rodziców. Osamotnione dziecko zostaje odnalezione przez angielskich oficerów i umieszczone w domu pastora. Ten wysyła dziewczynkę do Anglii, do domu jej wuja – Archibalda Cravena.
Podróż ożywia przygnębioną dziewczynkę. Na miejscu okazuje się, że Craven mieszka w starej, ogromnej posiadłości, położonej na malowniczym wrzosowisku. Mary jest zaintrygowana swoim nowym „domem”, towarzyszącymi jej służącymi i przyszłym opiekunem. Wygląd i ponure usposobienie dziewczynki nie budzą sympatii mieszkańców domu. Sam Craven – uważany przez otoczenie za dziwaka – nie jest zainteresowany zapoznaniem się z krewną. Dziewczynka trafia pod opiekę gospodyni domu, pani Medlock. Otrzymuje własny pokój i ubrania. Zapoznaje się też z jedną ze służących.
Gadatliwa Marta nadaremno stara się rozweselić Mary. Dziewczynka potrafi wydawać jedynie rozkazy. Jest niezaradna i opryskliwa. Nowe otoczenie, ciekawość i doskwierająca samotność stopniowo wpływają na poprawę zachowania Mary. Dziewczynka wypytuje Martę o mieszkańców domu – służbę i pana Cravena. Postanawia też zwiedzić dom i otaczający go ogród. Podczas spaceru bohaterka poznaje sędziwego ogrodnika Bena. Zauważa też, że część ogromnego ogrodu jest otoczona wysokim murem.
Pomiędzy Mary i Martą zawiązuje się nić sympatii. Służąca opowiada dziewczynce historię rodziny Cravenów. Archibald był niegdyś żonaty z piękną kobietą. Na jej prośbę założył cudowny ogród. Pewnego dnia kobieta doznała nieszczęśliwego wypadku – spadła z huśtawki i na skutek uderzenia w głowę wkrótce zmarła. Śmierć żony doprowadziła Cravena na skraj szaleństwa. Mężczyzna popadł w melancholię, a piękny ogród został zamknięty i opustoszał. Nikt nie wie, gdzie znajdują się furtka i klucz do ogrodu.
Mary, zafascynowana opowieścią, postanawia odnaleźć drogę do tajemniczego ogrodu. Pewnej nocy dziewczynka zdaje się słyszeć donośny płacz. Następnego dnia opowiada o swoim spostrzeżeniu Marcie, ale ta – wyraźnie przerażona – unika odpowiedzi. Kolejnej nocy dziwne zjawisko powtarza się. Zaintrygowana dziewczynka opuszcza swój pokój i przemierza dom nasłuchując coraz głośniejszego szlochania. Spacer zostaje przerwany przez rozgniewaną panią Medlock.
Upływają kolejne tygodnie. Mary spędza coraz więcej czasu w przydomowym ogródku, rozmawiając z ogrodnikiem, obserwując zachowanie ptaków i podziwiając budzącą się do życia przyrodę. Pewnego dnia dziewczynka odnajduje w trawie stary, zardzewiały klucz. Domyśla się, że cenny „skarb” może jej pomóc w dostaniu się do ogrodu.
Tymczasem zbliża się wiosna. Mary – skuszona zabawnymi opowieściami Marty – chce poznać jej matkę i liczne rodzeństwo, mieszkające w pobliskiej wiosce. Ciekawość dziewczynki budzą zwłaszcza opowieści służącej o jej młodszym bracie Dicku, wielbicielu zwierząt i dzikiej przyrody. Obserwacje i badanie okolic posiadłości stają się dla Mary coraz przyjemniejszą rozrywką. Marta z uznaniem obserwuje z kolei pozytywne zmiany w zachowaniu i wyglądzie dziewczynki. Mary staje się zdrowsza, bardziej radosna i ufna wobec ludzi.
Pewnego dnia podczas zabawy na dworze Mary odnajduje przypadkiem furtkę ukrytą pod pnączami bluszczu. Bohaterka otwiera bramkę znalezionym wcześniej kluczem. Tajemnicze miejsce to przepiękny, ogromny, ale zaniedbany ogród różany. Bohaterka postanawia zachować swoje odkrycie w tajemnicy. Chce pielęgnować ogród samodzielnie i przywrócić mu dawny wygląd. Dziewczynka pisze list do brata Marty, a ten obiecuje stawić się na spotkanie.
Dick okazuje się sympatycznym i przyjacielskim towarzyszem. Chłopiec przynosi Mary obiecane nasiona kwiatów i narzędzia ogrodnicze. Pokazuje też dziewczynce swoich zwierzęcych przyjaciół – oswojonego kruka i lisa. Mary wyjawia Dickowi swój sekret. Ten obiecuje dochować tajemnicy, ofiarowuje także swoją pomoc w pielęgnacji ogrodu.
Wkrótce Mary zapoznaje się z opiekunem. Pan Craven robi na niej wrażenie schorowanego, ale dość sympatycznego człowieka. Wuj obiecuje opiekować się małą krewną. Mary prosi go o „kawałek ziemi” do zagospodarowania i uzyskuje zgodę.
Kolejnej nocy Mary budzi się słysząc wyraźny szloch. Tym razem nocna wyprawa bohaterki kończy się sukcesem. Mary odkrywa, że to schorowany chłopiec leżący w jednym z oddalonych pokoi płacze Chory jest zaskoczony wizytą, a Mary odkryciem, że chłopiec jest jej kuzynem – synem pana Cravena. Mały Colin wyjawia, że choruje od wczesnego dzieciństwa, a lekarze wróżą mu krótkie życie i kalectwo odziedziczone po ojcu (garb). Dziewczynka zapowiada ponowną wizytę, obiecując zachować spotkanie w tajemnicy. Kolejne spotkania utwierdzają Mary w przekonaniu, że choroba Colina nie jest aż tak groźna. Chłopcu doskwiera brak towarzystwa i świeżego powietrza. Uwagę bohaterki zwraca też trudny charakter „panicza” przyzwyczajonego do wielkich wygód i posłuszeństwa. Mimo tego dziewczynka postanawia mu pomóc. Czyta choremu książki, śpiewa piosenki i opowiada o tajemniczym ogrodzie rosnącym w pobliżu domu.
Pod wpływem odwiedzin Mary chłopiec stopniowo powraca do zdrowia. Gdy służba odkrywa tajemnicę dzieci, Colin przekonuje, że kuzynka ma na niego dobry wpływ. Na prośbę chorego Mary zaprasza do domu Dicka. Chłopiec przyprowadza „paniczowi” swych leśnych przyjaciół, czym wzbudza jego zachwyt. Mary wyjawia kuzynowi swoją tajemnicę. Cała trójka planuje wspólną wyprawę do Tajemniczego Ogrodu.
Pomimo przestróg doktora Mary, i Dick wywożą chorego na dwór i wprowadzają go do swojego „królestwa”. Colin zachwycony pięknem ogrodu nabiera sił i chęci do życia. Zachęcony przez przyjaciół podnosi się na własne nogi. Na moment pierwszych samodzielnych kroków chorego natyka się przypadkiem ogrodnik. Dzieci wyjawiają Benowi swoje plany, ten obiecuje pomoc. Colin, namówiony przez Bena, własnoręcznie sadzi w ogrodzie różany krzew.
Kolejne tygodnie schodzą trójce przyjaciół na codziennych wizytach w ogrodzie. Dzieci przyglądają się budzącej się do życia przyrodzie. Obserwują życie ptaków, bawią się i podziwiają piękno swojego „królestwa”. Przyrządzają też własne potrawy z kartofli i jajek. Pewnego dnia w ogrodzie pojawiaj się matka Marty. Pani Sowerby nie może uwierzyć w postępy Colina. Chłopiec wyraźnie nabiera zdrowia. Samodzielnie stoi i robi pierwsze kroki. Za namową Dicka Colin ćwiczy osłabione mięśnie i stopniowo nabiera coraz większej wprawy w chodzeniu.
Pan Craven, zachęcony listem pani Sowerby, postanawia zakończyć swoją podróż po Europie i powrócić do domu. Po przyjeździe do posiadłości Craven ze zdziwieniem przysłuchuje się odgłosom wesołej zabawy dobiegającej a muru ogrodu. Z bramy niespodziewanie wypada roześmiany Colin. Chłopiec wtula się w zaskoczonego ojca. Craven z trudem hamuje łzy.