Heidi es una niña suiza huérfana que durante los primeros años de su vida ha estado bajo el cuidado de su tía Dete. Cuando esta trabaja, tiene que dejar encargada a la niña con una anciana que esta prácticamente sorda. Un día, Dete tiene la oportunidad de trabajar en Frankfurt con una familia rica, pero como no puede llevar a Heidi decide recurrir al abuelo de la niña, un anciano que vive una vida de ermitaño en las montañas cercanas al pueblo de Dorfli. El abuelo acepta de muy mala gana cuidar a Heidi, pero la inocencia y bondad de Heidi terminan por cautivarlo de modo que su carácter duro termina por ablandarse y poco a poco comienza a aceptar la idea de reintegrarse a la sociedad.
En esta nueva vida para Heidi todo es nuevo para ella. Rápidamente aprende a amar la naturaleza, los campos abiertos y los animales. Heidi adquiere como costumbre acompañar a Pedro, un pastor del pueblo que lleva diariamente a pastar a las cabras del pueblo. Después de un tiempo, Dete regresa por Heidi pensando que tiene una gran oportunidad para ella: la familia Sesseman necesita a una niña que le brinde compañía a la pequeña Clara, una niña paralítica que debido a sus impedimentos tiene que estudiar en casa con maestros particulares y no tiene la oportunidad de convivir con nadie. Sin embargo, ni Heidi ni el abuelo tienen disposición a separarse, por lo que Dete tiene que engañar a Heidi para que la acompañe.
La vida de Heidi en Frankfurt es gris, monótona y llena de reglas que ella no entiende ni le interesa aprender, lo cual es causa de frecuentes conflictos con la señorita Rottenmeier, la institutriz y ama de llaves de los Sesseman. A pesar de que Clara y Heidi se hacen rápidamente buenas amigas, Heidi extraña tanto su hogar que empieza a encerrar en ella mucha nostalgia. Las cosas llegan tal grado que el padre de Clara decide que Heidi regrese a Suiza con su abuelo, muy a pesar de las protestas de Clara, que le ha tomado mucho afecto a Heidi.
Durante la ausencia de Heidi, el abuelo ha comprendido el peso de la soledad, por lo que al regresar Heidi con él decide hacer caso a los consejos del párroco y bajar al pueblo durante el invierno para que Heidi pueda ir a la escuela y conviva con los otros niños. Todos en el pueblo se asombran de este cambio de actitud, pero se alegran por Heidi.
Algunos meses después, en la primavera, Clara ha convencido a su padre de que la deje visitar a Heidi en las montañas. Los cuidados de Heidi y su abuelo, asi como el contacto con la naturaleza, le permiten a Clara recobrar la confianza suficiente en si como misma para intentar caminar nuevamente. Después de un periodo de alimentación especial, asi como de ejercicios, Clara finalmente puede volver a caminar y con ello sorprender a su papá.
