Le film s'ouvre alors que Jamal Malik (Dev Patel), un jeune Indien adulte issu des taudis de Juhu, est finaliste de la version indienne du jeu télévisé Qui veut gagner des millions ?. Il subit l'interrogatoire musclé du sergent de police Srinivas (Saurabh Shukla) ; une question est alors posée au spectateur : « Comment Jamal Malik a-t-il atteint la question à 20 millions de roupies ? (A) Il a triché. (B) Il est chanceux. (C) C'est un génie. (D) C'était écrit. »

Alors que l'inspecteur de police (Irrfan Khan) chargé de Jamal arrive, on comprend qu'il est soupçonné par le présentateur Prem Kumar (Anil Kapoor) d'avoir triché et que la police cherche à le faire avouer. En effet, selon l'inspecteur, alors que des professeurs ou des universitaires ont du mal à dépasser la question à 16 000 roupies, Jamal, simple serveur de thé sans éducation, a atteint la somme record de 10 000 000 roupies et s'apprête à répondre à l'ultime question à 20 000 000 de roupies. Devant son refus d'avouer sa tricherie, le sergent suggère qu'il connaît peut-être les réponses, Jamal confirme son hypothèse et explique à l'inspecteur et au sergent pourquoi il a pu répondre à la plupart des questions. Commence alors un long récit en flashbacks de sa vie et de ses expériences depuis son enfance jusqu'à l'inscription au jeu.

Jamal vit les premières années de son enfance dans les taudis de Juhu près de Mumbay et de l'aéroport. C'est ainsi qu'il a eu l'immense joie de rencontrer celui qui était à l'époque son idole, le célèbre acteur de Bollywood Amitabh Bachchan et le privilège d'obtenir un autographe, ce qui lui permet de répondre à la première question. Ignorant la réponse à la seconde question, il utilise le joker de « l'avis du public ».

La question suivante porte sur les attributs traditionnels de Rama, divinité hindoue, ce que Jamal, musulman, ne peut a priori pas connaître. Cependant, lors d'une émeute anti-musulmane il a pu apercevoir dans sa fuite un enfant représentant cette divinité, ce qui lui donne la réponse à la troisième question.

C'est à ce moment qu'il rencontre pour la première fois Latika (Rubina Ali), petite fille orpheline qui devient vite son amie. Pour souder leur amitié et leur complicité, les trois enfants se surnomment entre eux les trois mousquetaires, dont ils ne savent pratiquement rien.

Les enfants sont par la suite recueillis par Maman (Ankur Vikal) alors qu'ils vivent dans une décharge. Ce qu'ils ignorent, c'est que Maman est une crapule qui utilise les orphelins pour mendier. Il demande à Salim de lui amener son frère pour qu'il l'aveugle à l'acide et qu'ainsi estropié, il « rapporte » plus. Mais les enfants s'échappent. Jamal et Salim réussissent à sauter dans un train qui part, et alors que Latika est sur le point de faire de même, Salim lâche sa main. Elle est rattrapée par les malfaiteurs.

Les deux frères voyagent en trains, vendent des marchandises, volent et trompent les touristes naïfs au Taj Mahal. Ils se font passer pour des guides touristiques, ayant glané ça et là des informations sur le monument. Jamal revient à Mumbai pour rejoindre Latika, ce qui ne plaît guère à Salim. Ils parviennent à la retrouver, mais découvrent que Maman veut en faire une prostituée et vendre sa virginité au plus offrant. Maman s'interpose tandis qu'ils essaient de la sauver, Salim sort alors un pistolet et tue le souteneur. Arguant de son fait d'arme, il se fait recruter par la bande rivale de Javed puis revient à leur chambre avec Latika qu'il considère comme son bien. Il ordonne à Jamal de partir et les deux frères s'affrontent, Salim menaçant Jamal de son pistolet. Pour le sauver, Latika demande à Jamal de l'abandonner et il reste seul, alors que Salim et Latika s'enfuient pour échapper aux hommes de Maman.

Des années plus tard, Jamal trouve un travail comme serveur de thé dans un centre d'appel téléphonique. Quand un opérateur lui demande de surveiller son poste pendant quelques minutes, il en profite pour chercher les coordonnées de Salim sur une base de données. Il parvient à contacter son frère devenu l'un des lieutenant de confiance de Javed et lui demande des nouvelles de Latika. Agacé, Salim lui répond qu'elle est partie depuis longtemps. Peu convaincu, Jamal suit son frère jusqu'à la maison de Javed où il aperçoit Latika (Freida Pinto). Pour s'introduire dans le repère du gangster, il se fait passer pour un cuisinier et une fois sur place il découvre que Latika est la maîtresse de Javed. Il essaie de persuader la jeune femme de s'enfuir avec lui mais elle refuse, le suppliant de partir et de l'oublier. Jamal lui avoue alors son amour et lui promet de l'attendre à la gare de Victoria Terminus tous les jours à cinq heures, jusqu'à ce qu'elle vienne. Elle finit par se rendre au rendez-vous, mais alors que Jamal la voit s'approcher, elle est rattrapée par Salim et Javed qui lui balafre la joue avec un couteau et la force à monter dans une voiture sous les yeux d'une foule de badauds ébahis.

Ayant perdu la trace de Latika mais sachant qu'elle regarde régulièrement Qui veut gagner des millions ?, Jamal se porte candidat au jeu télévisé. Alors qu'elle regarde la dernière épreuve de l'émission, Salim, pris de remord, lui donne son téléphone et les clefs de sa voiture, lui demandant de s'enfuir et de pardonner le mal qu'il lui a fait. Puis il s'installe dans une baignoire remplie de billets de banque. Les gangsters ne tardent pas à enfoncer la porte de la salle de bain et Salim abat Javed avant d'être tué à son tour. De son côté, Jamal qui ignore la réponse à la dernière question, "Quel est le nom du troisième mousquetaire dans le roman d'Alexandre Dumas ?", décide d'utiliser l'option « téléphoner à un ami » et appelle son frère. Après une longue attente, Latika décroche : elle ne connaît pas la réponse mais dit qu'elle est en sécurité. Jamal répond « Aramis » au hasard et remporte la cagnotte.

Jamal et Latika se retrouvent à la gare et échangent un baiser. Ils sont rejoints sur le quai par tous les acteurs du film qui chantent et dansent sur l'air de Jai Ho.

(D) C'était écrit.