Al comienzo de la novela, se presenta a su protagonista, Mary Lennox. La niña, de nueve años, tiene una actitud caprichosa, autoritaria y amargada. Vive en India con su padre, un funcionario del gobierno británico, y su madre, una mujer egocéntrica y frívola que solo se interesa por las fiestas y las reuniones sociales. Mary ha sido criada, fundamentalmente, por una niñera india. En la casa trabajan muchos sirvientes que son extremadamente dóciles y cumplen todos los caprichos de la protagonista, justamente porque es hija de gente rica. Así, Mary se convierte en una niña maleducada y pretende que los demás le hagan caso todo el tiempo. Sin embargo, la vida de Mary cambia muy rápidamente, ya que un brote de cólera se extiende en la región donde vive. Su niñera y sus padres mueren por esta enfermedad en el lapso de un día.
Por eso, la niña es enviada a vivir con su tío, Archibald Craven, en una enorme hacienda en Yorkshire, Inglaterra. La hacienda se llama Misselthwaite Manor y está aislada en medio de un páramo. Al principio, Mary es recibida por una mujer, la señora Medlock, que es el ama de llaves de la gran mansión. Sin embargo, Medlock no le presta demasiada atención a la niña. Por el contrario, se hace cargo de cuidarla una muchacha llamada Martha, que también trabaja en la casa. El modo como Martha se relaciona con Mary es muy distinto a la actitud que solían tener sus cuidadores en India: conversa con la niña, le pone límites y le enseña a hacer las cosas por su cuenta. Por ejemplo, apenas llega a Misselthwaite Manor, la protagonista no sabe vestirse sola, pero con el incentivo de Martha aprende a hacerlo.
Como no sabe qué hacer para pasar el tiempo y su tío no está dispuesto a conocerla, Mary dedica los primeros días en el lugar a explorar los jardines de la propiedad. Así, descubre un jardín secreto que ha estado cerrado con llave durante mucho tiempo. Esto se debe a que era el jardín favorito de la esposa de su tío, fallecida diez años antes. Con la ayuda de un pajarito petirrojo, Mary encuentra la llave, entra al jardín y se enamora del lugar. Entonces empieza a recuperar las plantas, que están resecas por la falta de cuidado. En ese proceso, se hace amiga de un jardinero llamado Ben Weatherstaff y de Dickon, hermano menor de Martha, que tiene un talento natural para relacionarse con las plantas y los animales. Gracias al conocimiento y el acompañamiento de Dickon, Mary logra revitalizar el jardín y, a medida que se acerca la primavera, las plantas rebrotan y aumenta la belleza del lugar.
Sin embargo, los días de lluvia, la protagonista debe entretenerse sola, recorriendo la enorme mansión de su tío, que se ha ido de viaje por varios meses. Así, descubre que en una de las habitaciones vive un niño de diez años llamado Colin. Colin es hijo de Archibald Craven, es decir que él y Mary son primos, aunque hasta ese momento ninguno de los dos sabía que el otro existía. Colin vive encerrado y aislado del mundo porque el padre está demasiado deprimido tras la muerte de su esposa, y está convencido de que el hijo está muy enfermo y podría morir en cualquier momento. Por eso, Colin ha sido criado por los sirvientes de la casa, a los que trata muy mal, y ha crecido con la idea de que no vivirá mucho tiempo. Mary, que antes también era caprichosa e insensible, ahora se irrita ante estas actitudes y ayuda a su primo a convertirse en un chico más amable.
Además, con ayuda de Dickon, Mary lleva a Colin al jardín secreto. El chico también se enamora del lugar; siente que el jardín emana magia. Tanto es así, que comienza a entrenarse para ganar fuerza y poder caminar, cosa que nunca ha hecho, porque ha estado en cama desde que era un bebé. Acompañado por sus nuevos amigos, se propone mejorar tanto su salud como su actitud hacia los demás, para después demostrarle al padre que es un niño sano y que puede hacer una vida normal. Para los chicos, este proceso es un experimento, y se organizan para mantener todo en secreto. En primer lugar, porque el señor Craven ha prohibido la entrada a ese jardín, y, en segundo lugar, porque Colin quiere sorprenderlo recién cuando esté completamente recuperado. Después de algunas semanas lo logra, y cuando el padre regresa a la casa, ve con muchísima emoción que el niño está sano y fuerte y es feliz.
