Учёный, доктор Гаспар Арнери ремонтирует по приказу трёх толстяков механическую куклу маленького наследника Тутти. Мальчику не разрешают общаться с живыми детьми, чтобы он вырос жестоким. Доктор чинит куклу, но пока едет во дворец, теряет её, нечаянно он натыкается на цирковую палатку и видит девочку - циркачку, похожую на эту куклу. Он отправляет её во дворец вместо куклы. Учёный просит в награду освободить мятежников, которые находятся в тюрьме толстяков. Девочка дружится с принцем и ночью освобождает Просперо ( оружейник, которого должны казнить). Утром Суок(девочка) должны казнить, толстяки бросают её к тиграм, но тигры не трогают её, т.к. это уже гвардейцы подменили девочку на куклу. В конце книги был мятеж, власти толстякам приходит конец, а Суок оказывается родной сестрой принца. Они были разлучены в детстве, и девчку отдали в цирк, и сделали вместо неё похожую куклу.
В одном городе некогда жил доктор. Звали его Гаспар Арнери. Он был учёный, и не было в стране никого мудрей его. Страной же, где жил Гаспар Арнери, правили Три Толстяка, прожорливые и жестокие.
Однажды летом, в июне, ясным погожим днём доктор отправляется на прогулку. На площади он неожиданно застаёт столпотворение, слышит выстрелы и, забравшись на башню, видит, как от Дворца Трёх Толстяков бегут ремесленники, преследуемые гвардейцами. Оказывается, народ под предводительством оружейника Просперо и гимнаста Тибула восстал против власти Трёх Толстяков, но восстание потерпело поражение, а оружейник Просперо схвачен. Бомба попадает в башню, из которой Гаспар Арнери наблюдает за происходящим, она рушится, и доктор теряет сознание. Очнулся он, когда наступил вечер. Вокруг валяются трупы убитых. Возвращаясь домой через площадь Звезды, доктор видит, как оставшийся на свободе другой предводитель восстания гимнаст Тибул от преследующих его гвардейцев, ловко идёт по узкой проволоке прямо над площадью, а затем убегает через люк в куполе. Дома уставший доктор собирается лечь спать, как неожиданно из камина вылезает человек в зелёном плаще. Это гимнаст Тибул. На другой день на площади Суда готовят десять плах для схваченных мятежников. Тогда же случается необычайное происшествие: ветер уносит продавца воздушных шаров вместе с шарами и тот падает прямо в открытое окно дворцовой кондитерской и попадает прямо в огромный торт. Чтобы избежать наказания, кондитеры решают оставить продавца в торте, вымазав его кремом и облепив цукатами, и подать в зал, где проходит парадный завтрак. Таким образом продавец шаров, дрожащий от страха, что его съедят, становится свидетелем происходящего в зале. Дегустация торта временно откладывается. Три Толстяка хотят лицезреть пленного оружейника Просперо, а затем, когда, насладившись этим зрелищем, они собираются продолжить пиршество, в залу с криком и плачем врывается двенадцатилетний мальчик — наследник Тутти.
У Толстяков нет детей, и они собираются передать все своё богатство и управление страной Тутти, который воспитывается во Дворце, как маленький принц. Толстяки всячески балуют его и потакают его капризам. Кроме того, они хотят, чтобы у мальчика было железное сердце, они не разрешают ему играть с другими детьми, а его занятия проходят в зверинце. Вместо друга для него создана удивительная кукла, которая наделена расти и развиваться вместе с Тутти. Наследник чрезвычайно привязан к ней. И вот любимая кукла сломана: мятежные гвардейцы, перешедшие на сторону Просперо и восставшего народа, искололи её штыками.
Толстяки не хотят, чтобы наследник Тутти огорчался. Куклу необходимо починить, но никто не этого сделать, кроме ученейшего доктора Гаспара Арнери. Поэтому решено отправить ему куклу, чтобы к следующему утру она, починенная, снова была у Тутти. В противном случае доктора ждут серьёзные неприятности. Поскольку настроение Толстяков испорчено, торт с продавцом воздушных шаров уносят обратно на кухню. Поварята в обмен на воздушные шары продавцу выбраться из Дворца, показывают ему тайный ход, который начинается из гигантской кастрюли.
Между тем на Четырнадцатом рынке Три Толстяка устраивают празднества для народа: спектакли, развлечения, представления, во время которых артисты должны агитировать за Трёх Толстяков и отвлекать внимание народа от плах, которые возводятся для казни. На одном таком представлении присутствуют доктор Арнери и гимнаст Тибул, превращённый доктором для конспирации в негра. Во время выступления силача Лапитупа Тибул не выдерживает и прогоняет его со сцены, открыв народу, что он вовсе не негр, а самый настоящий Тибул. Между ним и подкупленными циркачами завязывается потасовка. Тибул обороняется капустными кочанами, срывая их прямо с грядки и бросая в противника. Схватив очередной кочан, он неожиданно обнаруживает, что это человеческая голова, и не кого иного, как продавца воздушных шаров. Так Тибул узнает о существовании тайного подземного хода во Дворец Толстяков.
Пока Тибул сражается, доктора Гаспара Арнери находят посланцы Толстяков и вручают ему приказ и сломанную куклу. Доктор Гаспар Арнери пытается починить куклу, но к утру он явно не поспевает. Нужно ещё по меньшей мере дня два, и доктор вместе с куклой отправляется к Толстякам. По дороге его останавливают охраняющие Дворец гвардейцы и не пускают дальше. Они не верят, что он действительно Гаспар Арнери, а когда доктор хочет показать им куклу, то обнаруживает, что её нет: задремав, он обронил её по дороге. Расстроенный доктор вынужден повернуть назад. Проголодавшись, он заезжает в балаганчик дядюшки Бризака. Каково же его удивление, когда он обнаруживает здесь куклу наследника Тутти, которая оказывается вовсе не куклой, а живой девочкой по имени Суок, похожей как две капли воды на куклу. И тогда у появившегося здесь вскоре Тибула возникает план освобождения Просперо.
