작지만 아름다운 시골 마을에 ‘폴리아나’라는 한 소녀가 살고 있다. 폴리아나는 엄마가 일찍 돌아가셨지만 목사인 아빠를 도우며 언제 어디서나 기쁜 일을 찾아내는 씩씩하고 밝은 소녀다. 마을 사람들은 모두 그런 폴리아나를 좋아하고 폴리아나도 자신의 마을을 사랑한다. 하지만 아빠가 몸이 안 좋아서 걱정이었는데...

아빠가 심장 발작을 일으켜서 쓰러지자 폴리아나는 죄책감을 느낀다. 하지만 금방 훌훌 털고 일어나서 정성을 다해 아빠를 돌봐드린다. 하지만 아빠가 식사를 거의 하지 못하자 폴리아나의 걱정은 깊어만 간다. 그래서 아빠가 가장 좋아하는 딸기를 따다 드리려고 카렌과 함께 숲속으로 들어가는데...

존 목사가 돌아가시자 마을은 온통 슬픔에 젖는다. 늘 쾌활했던 폴리아나 역시 울음을 터뜨리고, 화이트 부인은 그런 폴리아나를 자신의 집으로 데려간다. 카 목사는 존 목사의 유언을 따라서 교회 본부에 연락했다가 폴리아나에게 이모가 있다는 사실을 알아낸다. 존 목사는 폴리아나가 그 이모와 살기를 원했는데...

드디어 폴리아나가 이모가 있는 벨딩스빌로 왔다. 혼자서도 씩씩하게 기차에서 내린 폴리아나는 처음 본 벨딩스빌이 마음에 들었다. 폴리 이모는 직접 마중 나가지 않고 낸시를 보냈는데 폴리아나는 낸시가 폴리 이모인 줄 알고 무척 기뻐한다. 낸시는 너무나도 해맑은 폴리아나를 보며 당황스러우면서도 마음 한구석이 짠해지는데…

다락방에 혼자 남게 된 폴리아나는 눈물을 펑펑 흘린다. 하지만 낸시와 이야기를 나누는 동안 금방 다시 기운을 차리고 다시 씩씩한 폴리아나로 돌아가기로 한다. 그런 폴리아나의 모습을 보고 낸시는 천사 같은 아가씨가 왔다며 자신이 아가씨를 지켜주겠다고 다짐한다. 하지만 방에 있는 줄 알았던 폴리아나가 어딘가로 사라져 버렸는데…

아침이 돼서 다시 기운을 차린 폴리아나는 폴리 이모가 벌을 줄 생각으로 읽으라고 한 팸플릿을 읽으며 즐거워한다. 그런 폴리아나를 보면 한숨을 쉬던 폴리 이모는 그래도 자신의 의무를 다하기 위해서 폴리아나에게 필요한 물품을 사러 함께 시내로 나간다. 그런데 폴리아나는 너무 들뜬 나머지 자꾸 엉덩이를 들썩이는데...

지붕 위에 나타난 게 도둑이 아니라 폴리아나인 걸 알고 폴리 이모는 황당함에 말을 잇지 못한다. 게다가 그 벌로 오늘은 자신과 같은 방에서 자라고 명령했지만 폴리아나는 그것마저 너무너무 행복해한다. 어떤 벌을 내려도 기쁘게 받아들이는 폴리아나 때문에 폴리 이모는 벌써부터 골치가 지끈거리는데…

폴리아나는 시간이 흐르자 딱딱한 폴리 이모 집에 적응해서 잘 지내고 있다. 매일 산책을 나가서 사람들과 인사하는 걸 좋아하던 폴리아나는 특이한 신사를 발견한다. 누가 인사를 해도 대답하지 않는 신사를 보고 폴리아나는 다가가서 말을 건다. 그 신사는 역시 못 본척했지만 폴리아나는 굴하지 않고 매일매일 말을 거는데...

벨딩스빌에는 오랫동안 병을 앓고 있는 스노우 부인이 살고 있다. 폴리를 포함한 교회 부인회 회원들이 돌아가며 병문안을 가는데 이번엔 폴리아나가 직접 가겠다고 나섰다. 스노우 부인은 뭘 하든 툴툴대고 늘 불평불만이 많은 사람이라 낸시도 폴리아나를 걱정한다. 하지만 폴리아나는 특이한 사람들을 좋아한다며 병문안을 가는데...

폴리아나는 이모님이 지미를 받아줄 거라고 믿고 지미를 집에 데려온다. 하지만 폴리는 기겁을 하며 당장 내보내라고 한다. 냉정한 말에 상처받은 지미가 뛰쳐나가자 폴리 역시 방에서 눈물을 터뜨린다. 하지만 다음 날, 폴리아나는 마을 부인회를 찾아가서 지미를 맡아달라고 부탁하는데...

개를 따라간 폴리아나는 바위 밑에 쓰러져 있는 펜들턴 씨를 발견한다. 다리가 부러진 펜들턴 씨를 돕기 위해서 폴리아나는 해골이 있다고 소문이 자자한 펜들턴 저택으로 달려간다. 폴리아나는 무척 두려웠지만 용기를 내서 의사를 부르는데 성공한다. 그리고 재빨리 펜들턴 씨가 있는 곳으로 돌아가는데...

폴리 이모님이 갑자기 외출을 하셨다. 덕분에 아침 수업이 사라진 폴리아나는 일찍부터 지미가 성을 짓는 것을 돕고 점심때는 스노우 부인 댁에 방문하기로 한다. 스노우 부인이 좋아하는 걸 드리고 싶어서 선물을 준비해간 폴리아나는 스노우 부인과 함께 이야기를 하느라 시간 가는 줄 모르는데...

칩멍크가 보이지 않자 해링턴 저택의 사람들은 다 함께 칩멍크를 찾아나선다. 하지만 아무리 찾아도 칩멍크가 나타나지 않자 폴리아나는 울음을 터트린다. 다행히 톰이 나무 구멍 사이에서 칩멍크를 찾아낸다. 하지만 칩멍크는 갑자기 바뀐 환경 때문에 병이 났는데...

칩멍크는 집으로 들어오자 빠르게 건강을 회복했다. 그리고 이번 칩멍크 사건을 겪으면서 낸시는 자신의 고용인인 폴리를 조금 다시 보게 됐다. 폴리는 숄을 찾기 위해 다락방으로 올라가다가 폴리아나와 마주친다. 폴리아나는 크게 기뻐하며 폴리를 자신의 방으로 초대한다. 그리고 엄마의 유품인 손거울을 보여주는데...

폴리아나는 그라탱을 가지고 펜들턴 씨 댁을 찾아간다. 하지만 아무도 집에 들이지 말랬다면서 에즈라가 들여보내주질 않는다. 그런데 다행히 칠턴 선생님이 나타나서 폴리아나는 무사히 병문안을 할 수 있게 됐다. 폴리아나와 대화를 나누자 까칠하던 펜들턴 씨도 인상을 펴고 자신도 모르게 웃게 되는데...

펜들턴 씨의 병문안을 다녀온 폴리아나는 칠턴 선생님의 마차를 타고 집으로 돌아가서 행복해한다. 하지만 폴리아나의 이야기를 들은 이모님은 여전히 기분이 안 좋아 보인다. 게다가 며칠 후 부인회에 다녀온 이모님은 폴리아나에게 크게 화를 낸다. 하지만 폴리아나는 아랑곳하지 않고 이모님의 머리를 빗겨주겠다고 나서는데...

폴리아나는 자신을 데리러 온 칠턴 선생님의 마차를 타고 펜들턴 씨 댁으로 향한다. 가는 동안 이모님 얘기를 칠턴 선생님께 물어봤지만 뾰족한 대답을 찾지는 못했다. 펜들턴 씨는 지난번과는 달리 폴리아나를 반겨주고 앞으로도 계속 와달라고 부탁한다. 폴리아나는 알겠다며 고개를 끄덕이는데...

드디어 지미의 성이 완성되자 폴리아나는 뛸 듯이 기뻐한다. 하지만 지미는 숲의 소유자에게 허락을 받지 않은 게 마음에 걸린다. 폴리아나는 지미를 위해서 함께 펜들턴 씨를 찾아가서 오두막 이야기를 꺼낸다. 다행히 펜들턴 씨는 이해를 해줬지만 그동안 피로가 쌓였는지 폴리아나가 앓아눕고 마는데...

다행히 폴리아나의 열이 떨어지자 해링턴 저택 사람들은 모두 한숨 돌린다. 그런데 몸이 나아진 폴리아나와 이야기를 하던 낸시는 펜들턴의 이야기를 듣고 폴리가 과거에 펜들턴과 사귀었을 거라고 추측한다. 낸시의 이야기를 그대로 믿은 폴리아나는 펜들턴을 찾아가서 두 사람을 화해시키려고 하는데...

펜들턴 아저씨의 애인이 폴리 이모님이 아니었다는 얘기를 듣고 폴리아나는 크게 놀란다. 하지만 더 충격적인 소식이 폴리아나를 기다리고 있었다. 게다가 펜들턴 아저씨가 폴리아나에게 자신의 양녀가 되어 달라고 말하자 폴리 이모님과 함께 살고 싶은 폴리아나는 마음은 너무도 복잡해지는데...

폴리아나는 다친 새를 돌봐주려다가 자동차에 치이고 머리에서 피를 흘린다. 그 모습을 본 지미는 크게 놀랐지만 폴리아나가 곧 정신을 차리고 멀쩡히 걸어가서 안심한다. 하지만 숲에서 뛰어가던 폴리아나가 다시 쓰러진 후 제대로 일어나지 못하자 지미는 해링턴 저택으로 달려간다. 그리고 폴리아나를 진찰한 의사의 말을 들은 폴리 이모는 큰 충격을 받는데...

폴리아나가 다시는 일어설 수 없다는 이야기를 듣고 폴리 이모님은 쓰러지고 만다. 우연히 그 이야기를 엿들은 폴리아나는 절망하고 낸시는 폴리아나를 달래기 위해 잘못 안 거라고 둘러댄다. 하지만 시간이 지나도 침대에서 일어날 수 없자 폴리아나는 다시 한 번 절망에 빠지는데...

모두의 바람과 달리 폴리아나의 상태는 점점 더 안 좋아지기만 한다. 누워만 있는 시간이 길어지자 폴리아나는 칠턴 선생님을 보고 싶어 하고 칠턴 역시 폴리아나를 진료해 보고 싶어 한다. 지미에게 폴리아나의 증세를 들은 칠턴은 밤새도록 관련 서적을 뒤지면서 폴리아나를 고칠 방법을 찾아보는데...

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