ภาพยนตร์เริ่มต้นด้วย The Narrator (เฮเลน เมียร์เรน) อธิบายผลกระทบทางสังคมของตุ๊กตาบาร์บี้ที่มีต่อประวัติศาสตร์ พร้อมด้วยคลิปตุ๊กตาบาร์บี้ต้นฉบับปี 1959 ที่ตั้งตระหง่านเหนือภูมิประเทศทะเลทราย ในขณะที่เด็กผู้หญิงตัวเล็ก ๆ เล่นกับตุ๊กตาทารกเริ่มทำลายพวกมัน
บาร์บี้แลนด์ที่ซ่อนตัวจากโลกแห่งความเป็นจริง ที่ซึ่งตุ๊กตาบาร์บี้และเคน พร้อมด้วยตุ๊กตาตัวอื่นๆ เช่น อัลลัน (ไมเคิล ซีรา) และมิดจ์ (เอมเมอรัลด์ เฟนเนล) อาศัยอยู่ ตระกูลบาร์บี้ส์เป็นประธานบาร์บี้แลนด์ในระบบการปกครองแบบผู้ใหญ่และทำงานในตำแหน่งสูง ในขณะที่ตระกูลเคนใช้เวลาเป็นผู้ใต้บังคับบัญชาไร้ประโยชน์ที่อาศัยอยู่ใต้เงาของบาร์บี้ส์ บีช เคน (ไรอัน กอสลิ่ง) มีความรู้สึกต่อบาร์บี้โปรเฟสเซอร์ (มาร์โกต์ ร็อบบี้) และคอยเรียกร้องความสนใจจากเธออยู่ตลอดเวลา แต่เธอกลับจำไม่ได้
ในระหว่างงานปาร์ตี้เต้นรำที่บ้านของเธอ (แบบทั่วไป) บาร์บี้ก็เริ่มตั้งคำถามถึงการตายของเธอ วันรุ่งขึ้น บาร์บี้ต้องทนทุกข์ทรมานจากวิกฤตที่มีอยู่ โดยประสบกับอุบัติเหตุต่างๆ มากมาย รวมถึงผิวที่สมบูรณ์แบบของเธอที่มีตำหนิ และเท้าโค้งของเธอแบนราบ บาร์บี้คนอื่นๆ แนะนำให้เธอไปเยี่ยมบาร์บี้ตัวประหลาด (เคท แมคคินนอน) ซึ่งแจ้งเธอว่ามนุษย์หญิงสาวที่เล่นกับเธอไม่มีความสุข เพื่อแก้ไขวิกฤตของเธอ บาร์บี้ต้องเดินทางไปยังโลกแห่งความจริง ตามหาหญิงสาวและช่วยเหลือเธอ
ระหว่างทางสู่โลกแห่งความเป็นจริง บาร์บี้พบว่า (ชายหาด) เคนถูกเก็บไว้ในรถของเธอ เขาโน้มน้าวให้เธอปล่อยให้เขาเข้าร่วมและทั้งสองเดินทางไปลอสแองเจลิส ซึ่งพวกเขาบังเอิญถูกจับกุมหลายครั้ง บาร์บี้เรียนรู้ที่จะร้องไห้เมื่อได้รู้ว่าโลกแห่งความเป็นจริงมีข้อบกพร่องเพียงใด ก่อนที่จะชมความงามของหญิงชราคนหนึ่ง เคนสงสัยและค้นพบระบบปิตาธิปไตย และรู้สึกได้รับการยอมรับเป็นครั้งแรก เขาเดินทางกลับไปยังบาร์บี้แลนด์อย่างตื่นเต้น
ที่โรงเรียนในท้องถิ่น บาร์บี้ได้พบกับซาชา (อาเรียนา กรีนแบลตต์) เด็กสาวที่เป็นมนุษย์ของเธอ และพยายามช่วยเหลือเธอ อย่างไรก็ตาม ซาช่าและเพื่อนๆ ของเธอประณามบาร์บี้ที่ยกย่องวัฒนธรรมเด็กไร้สมองและเป้าหมายชีวิตที่ไม่ดีต่อสุขภาพ ทำให้บาร์บี้ต้องหลั่งน้ำตา ในขณะเดียวกัน CEO ของ Mattel (Will Ferrell) ค้นพบการมีอยู่ของ Barbie และสั่งให้เธอเนรเทศไปที่ Barbieland โดยส่งคนของเขาตามเธอไป
บาร์บี้มาถึงสำนักงานใหญ่แมทเทลและพบกับซีอีโอและผู้ใต้บังคับบัญชาชายของเขา พวกเขาพยายามส่งเธอกลับด้วยกล่องตุ๊กตาขนาดเท่าจริง แต่บาร์บี้อนุมานความตั้งใจได้และหลบหนีไปเพื่อไล่ตาม เธอได้รับความช่วยเหลือจากซาช่าและแม่ของเธอ กลอเรีย (อเมริกา เฟอร์เรรา) ซึ่งถูกเปิดเผยว่าเป็นตัวกระตุ้นให้เกิดความกังวลของบาร์บี้ กลอเรียเริ่มเล่นกับตุ๊กตาบาร์บี้ในช่วงวิกฤตวัยกลางคน โดยทิ้งความกังวลของเธอไว้กับตุ๊กตาบาร์บี้ ทั้งสามคนไม่รู้ว่าพวกเขากำลังถูกซีอีโอและเพื่อนร่วมงานติดตามอยู่ จึงเดินทางกลับไปยังบาร์บี้แลนด์
เมื่อมาถึงบาร์บี้แลนด์ ทั้งสามคนพบว่าเคนได้นำเพื่อนเคนของเขาโค่นล้มระบบนี้ และตกเป็นทาสบาร์บี้ส์ในฐานะแฟนสาวที่ยอมทำตาม พวกเขายังวางแผนที่จะประดิษฐานปิตาธิปไตยใหม่ไว้ในรัฐธรรมนูญบาร์บี้แลนด์ในวันรุ่งขึ้น บาร์บี้พยายามเกลี้ยกล่อมเคนให้เปลี่ยนกลับ แต่เขาปฏิเสธเพราะในที่สุดเขาก็รู้สึกคู่ควรเป็นครั้งแรก บาร์บี้จมอยู่ในภาวะซึมเศร้าก่อนที่กลอเรียจะกล่าวสุนทรพจน์เกี่ยวกับการเป็นผู้หญิง ซึ่งเป็นแรงบันดาลใจให้บาร์บี้ช่วยกอบกู้บาร์บี้แลนด์
บาร์บี้ กลอเรีย ซาชา บาร์บี้ตัวประหลาด อัลลัน (ซึ่งฝ่าฝืนกฎใหม่ของเคน) และบาร์บี้และเคนส์คนอื่นๆ ที่เลิกกิจการไปแล้วก็วางแผนกัน ด้วยการใช้สุนทรพจน์ของกลอเรีย พวกเขาปลดปล่อยบาร์บี้ส์จากการปราบปรามก่อนที่จะหันเคนส์มาต่อสู้กันเพื่อเบี่ยงเบนความสนใจจากการเปลี่ยนแปลงรัฐธรรมนูญ ขณะที่เคนส์ต่อสู้กันบนชายหาด พวกบาร์บี้ส์ก็นำระบบการปกครองแบบมีสามีเป็นภรรยาของบาร์บี้แลนด์กลับคืนสู่รัฐธรรมนูญ
เคนแสดงความผิดหวังในการเป็นอย่างอื่นนอกจากเครื่องประดับของตุ๊กตาบาร์บี้ ซึ่งเธอสนับสนุนให้เขาเป็นตัวของตัวเอง ทั้งสองขอโทษกันและกันสำหรับความผิดพลาดของพวกเขา ประธานาธิบดีบาร์บี้ (อิสซา เร) ทำข้อตกลงฉันมิตรกับซีอีโอของแมทเทล ก่อนที่จะตกลงเรื่องความเท่าเทียมสำหรับเคนส์และของเล่นอื่นๆ ที่เลิกผลิตแล้ว บาร์บี้ยังคงไม่แน่ใจว่าเธอเป็นใคร ได้พบกับจิตวิญญาณของรูธ แฮนเลอร์ (เรอา เพิร์ลแมน) ผู้ร่วมก่อตั้งแมทเทลและผู้สร้างของเธอ รูธกล่าวว่าบาร์บี้ไม่มีจุดประสงค์เฉพาะเจาะจง เนื่องจากวิวัฒนาการของเธอมักจะเกินกว่ารากเหง้าของเธอเสมอ เธอแสดงภาพความเป็นแม่ของบาร์บี้ กระตุ้นให้เธอเลือกเส้นทางของตัวเอง
บาร์บี้ตัดสินใจใช้ชีวิตในโลกแห่งความเป็นจริงในฐานะมนุษย์ โดยใช้ชื่อว่าบาร์บาร่า แฮนด์เลอร์ กลอเรียและซาชาขับรถพาเธอไปตามนัด ซึ่งบาร์บี้ประกาศอย่างภาคภูมิใจว่าเธอมาที่นั่นเพื่อพบสูตินรีแพทย์