Heidi, la protagonista della serie, è un'orfana di quasi sei anni che, dopo la morte dei suoi genitori, ha vissuto con la giovane zia Dete, la sorella di Adelaide, sua madre. Dete è riuscita a trovare lavoro come donna di servizio a Francoforte e non può ancora portarsi dietro la bambina, così decide di lasciarla dall'unico parente che le è rimasto: il nonno paterno, un burbero soldato in pensione che vive in una baita sperduta sui monti e che viene chiamato dai paesani il Vecchio dell'Alpe o anche vecchio orso. Durante la salita alla baita Heidi incontra Peter, il pastorello, il quale sta portando le capre al pascolo, e fa subito amicizia con lui. All'arrivo ricevono un'accoglienza piuttosto fredda da parte del Vecchio, ma Dete è risoluta: adesso sarà lui ad assumersi le sue responsabilità e ad occuparsi della piccola. Dete esagera nel rimproverare il Vecchio dell'Alpe, il quale la caccia via urlando dicendole di lasciargli pure la bambina. Le prime parole che vengono rivolte ad Heidi dal nonno sono: "Farò in modo di abituarmi a te, piccola".

Sebbene il Vecchio dell'Alpe sia burbero e riservato, comincia a conoscere questa buffa bambina che ha scelto di dormire in mezzo alla paglia e che è curiosa di conoscere tutto ciò che la circonda: tra loro due comincia a nascere quel profondo rapporto unito dall'amore per le montagne. Heidi conosce anche il cane Nebbia, un enorme San Bernardo di cui ha paura per le enormi dimensioni. Dete è giunta a valle e viene apostrofata dagli abitanti del villaggio per aver lasciato la bambina al Vecchio. Dete si giustifica dicendo che ha trovato lavoro in una grande città e che non avrebbe potuto portare Heidi con sé.

Heidi sale per la prima volta ai pascoli con Peter: prima di partire, il nonno, oltre a darle la colazione per lei e il pastorello e a farle le raccomandazioni di rito, le suggerisce di tenere gli occhi ben aperti per guardare tutto quello che la montagna le riserverà. Heidi vede per la prima volta animali che le erano sconosciuti: gli scoiattoli, un'aquila e per poco anche le marmotte. Heidi discute con Peter perché ha l'abitudine di picchiare le capre quando disubbidiscono, ma lui le spiega che è del tutto normale. Heidi rischia di cadere dal burrone, capendo che la montagna ha anche molti lati pericolosi. A conclusione di una giornata indimenticabile, Heidi rimane affascinata dai giochi di luce delle montagne al tramonto.

Nel secondo giorno ai pascoli Heidi fa una nuova esperienza: i temporali, molto frequenti nelle estati in montagna. Lei e Peter si riparano e, una volta che il tempo si è placato, trovano un uccellino a cui si è spezzata l'ala. Heidi vuole tenerlo e gli dà il nome Cip, scatenando una forte gelosia in Peter perché adesso ha soltanto attenzioni per il piccolo animale. Heidi ha paura che Nebbia possa mangiare Cip, ma quando il sanbernardo salva l'uccellino dal calderone bollente Heidi scopre che quel grosso cane in realtà ha un cuore d'oro e il suo unico difetto è che dorme troppo.

Peter sta per partire dal paese per salire ai pascoli, quando riceve una lettera per il Vecchio dell'Alpe: è talmente preso dalla gelosia verso Cip che il pastorello dimentica di consegnargliela. Heidi segue Peter con l'uccellino Cip perché vuole insegnargli a volare, nonostante lui volesse andare ai pascoli senza di lei: Peter capisce che non deve essere geloso di Cip e la aiuta a farlo volare, salvando l'uccellino dagli assalti di un falco. Ma i due bambini hanno trascurato le capre: si sono perse Bianchina e Diana, le due capre del Vecchio, oltre a Fiocco di neve, la capretta preferita di Heidi. Come non bastasse scende la nebbia: Heidi e Peter ritrovano le capre, ma si sono persi e vengono ritrovati dal cane Nebbia che indica loro la strada. Il cane li porta dal nonno e tutti insieme tornano a casa. La sera, quando Heidi è andata a letto, il nonno legge la lettera che Peter si è poi ricordato di dargli: è di Dete, la quale vorrebbe che Heidi la raggiungesse a Francoforte per frequentare la scuola. Il Vecchio dell'Alpe brucia la lettera nel fuoco: gli sono bastati pochi giorni per affezionarsi a quella bambina.

Heidi decide di diventare una pastorella: deve imparare a mungere le capre e a fischiare con le dita. Inizialmente nessuna delle due cose le riesce, al che Heidi pensa che non sarà mai una pastorella. Ma quando Peter ha il mal di pancia e Bianchina e Diana litigano su una roccia, rischiando di cadere nel burrone, Heidi riesce a farle smettere e così diventa consapevole delle sue possibilità. Trascinata dall'entusiasmo, la bambina riesce a imparare in una mezza giornata a mungere e fischiare. Nel frattempo il nonno scende al villaggio come d'abitudine fa due volte all'anno per scambiare i suoi prodotti con il pane: tutti gli abitanti lo guardano con sospetto e, dopo aver discusso con il fornaio, il Vecchio dell'Alpe scende fino a Maienfeld per concludere l'affare. Al ritorno il nonno potrà essere orgoglioso della sua nipotina che ormai è una pastorella provetta.

Ormai l'autunno è alle porte: il nonno non vuole che Heidi vada ai pascoli perché il vento sta diventando troppo forte. Per distrarla, le insegna come fare il formaggio: la bambina è entusiasta e si offre di restare a mescolare il latte sul fuoco mentre il nonno avrebbe sbrigato altri lavori fuori dalla capanna. Heidi sente bussare alla porta e, una volta aperta, trova Fiocco di neve che è venuta a cercarla: Heidi la riporta da Peter, ma dimentica il latte sul fuoco che finisce per bruciare. Al suo ritorno a casa trova il nonno intento a raschiare il latte bruciato dalla pentola: è molto dispiaciuta del disastro e si scusa per un minuto, ma il nonno è arrabbiato solo con sé stesso per averla lasciata sola con un compito troppo difficile per lei. Heidi è comunque triste perché sente di aver deluso il nonno, così si rifugia sotto i suoi abeti per consolarsi.

Cip si unisce a uno stormo di altri uccelli e vola via assieme a loro: Heidi lo insegue fino al bosco che si trova al limitare del paese. Tornata a casa si getta disperata tra le gambe del nonno, il quale le spiega che l'uccellino Cip è emigrato verso i paesi caldi del Sud perché sta per arrivare l'inverno e non sarebbe sopravvissuto. L'indomani Heidi si rifiuta di parlare con Peter perché il giorno prima le aveva detto brutalmente di farsi una ragione dell'addio di Cip: il nonno porta la nipotina nel bosco per raccogliere le castagne e l'uva. Nello stesso momento Peter si prodiga per catturare un nuovo uccellino, ma una volta a casa Heidi non lo vuole perché ha capito la lezione e regala a Peter delle castagne come gesto di scusa per il suo comportamento.

Heidi è entusiasta davanti ai primi fiocchi di neve: ben presto l'intera vallata diventa completamente bianca. Heidi si annoia a morte perché è costretta a rimanere chiusa dentro la capanna: la sua unica occupazione è dar da mangiare agli animali che cercano un riparo sotto gli abeti. Ad Heidi mancano il suo amico Peter, il quale sta frequentando la scuola, e le capre, in particolare anche Fiocco di neve. Un pomeriggio Peter passa a trovarla perché non ha lezione e, prima di congedarsi, le dice che sua nonna avrebbe piacere di conoscerla uno dei prossimi giorni. Heidi è molto felice perché per la prima volta è stata invitata da qualcuno, ma il nonno non è entusiasta perché ormai ha chiuso tutti i ponti con i compaesani.

Heidi vorrebbe andare a trovare la nonna di Peter, ma per molti giorni imperversa una bufera di neve e il nonno non la fa uscire. Quando finalmente arriva una giornata di bel tempo, il Vecchio dell'Alpe accompagna Heidi con la slitta fin sulla porta della casetta della nonna, ma ritorna indietro senza entrare. La bambina scopre con tristezza che la nonna di Peter è cieca e vive in una catapecchia di legno che può crollare da un momento all'altro: alla sera ne parla con il nonno e riesce a convincerlo a ripararla. Il giorno dopo Heidi torna dalla nonna di Peter, mentre il nonno ripara il tetto della capanna: la nonna e Brigida, la madre di Peter, sono stupefatte dell'incredibile cambiamento che Heidi ha prodotto nel Vecchio.

Un giorno alla baita arrivano Emerald e George, due cacciatori con il fucile, che vorrebbero catturare un cerbiatto: Heidi è fermamente contraria e si para davanti all'animale e impedisce loro di sparare. Il nonno li avverte che sta per arrivare una tormenta di neve, sconsigliando loro di proseguire la caccia. I due uomini non credono alle sue parole e partono per l'altopiano, ma la previsione del nonno si avvera. I cacciatori perdono la strada e avrebbero corso un serio pericolo di morire assiderati se il nonno, pregato insistentemente da Heidi, non fosse andato a recuperarli.

Ormai l'inverno sta cedendo il passo alla primavera: spuntano i primi bucaneve e Heidi ne porta alcuni alla nonna di Peter. Heidi parte in slitta con Peter e incontrano due ragazzini che la prendono in giro perché è la nipote del Vecchio dell'Alpe. Peter si arrabbia e li sfida in una gara a chi arriva prima in città, ma perdono la sfida proprio alla fine. Mentre stanno risalendo per tornare alla baita vengono sorpresi da una slavina e si mettono in salvo, ma la slitta di Peter viene trascinata via dal torrente di neve.

È di nuovo primavera: Heidi e Peter possono finalmente ritornare sui pascoli. Heidi scopre un posto nuovo, un ampio prato fiorito, e alla bambina viene l'idea di intrecciare ghirlande per Peter e le capre. Tutti stanno festeggiando ma all'improvviso scoppia un temporale. Finito tutto Heidi e Peter trovano un agnellino che si è perso: il padrone pensa che siano stati loro a rubarlo e inizia ad azzuffarsi con Peter. Interviene in loro soccorso il cane Nebbia, invocato indirettamente da Heidi, che mette in fuga il malcapitato. Tornata a casa Heidi riceve una sorpresa: il nonno è sceso a valle e le ha comprato un cappello.

Mentre aspetta le capre Peter riceve una brutta notizia: la capretta Fiocco di neve verrà venduta a un macellaio perché non è ancora cresciuta e non fa il latte. Heidi nota che Peter ha una faccia mogia e si fa dire la verità, scoppiando in lacrime disperata perché non vuole che la sua amata capretta faccia quella fine. Il nonno consiglia alla nipotina di cercare delle erbe speciali che crescono sui pendii più alti, ma le raccomanda di lasciar fare a Peter perché non vuole che si arrampichi. Heidi è testarda e rischia di precipitare: Peter corre a salvarla, ma cadono entrambi e vengono salvati dal cane Nebbia, che il nonno aveva mandato perché custodisse il gregge.

Gli sforzi di Heidi e Peter sembrano inutili: il padrone di Fiocco di neve ha deciso che sarà il suo ultimo giorno sui pascoli e poi la venderà. A fine giornata Heidi nasconde la capra nella stalla con Bianchina e Diana perché non vuole perderla: il nonno non rimprovera la nipotina, pur facendole capire che il suo è un comportamento sbagliato. Il mattino dopo con Peter sale alla baita il padrone di Fiocco di neve che accusa il Vecchio dell'Alpe di avergli rubato la capra: Heidi gli fa assaggiare il latte di Fiocco di neve che è buonissimo, grazie alla tante erbe speciali che gli hanno dato, quindi l'uomo cambia idea e non la venderà più.

È di nuovo inverno: Heidi chiede a Peter di portarla in paese con la slitta nuova perché vuole andare a trovare Fiocco di neve, accertandosi che il padrone non la voglia davvero vendere. Mentre i ragazzi sono via, il Vecchio dell'Alpe riceve una lettera dal maestro, il quale lo esorta a mandare la piccola a scuola. Heidi e Peter si fermano a giocare a palle di neve con i bambini del paese: Heidi fa una pessima figura perché non sa ancora leggere e scrivere, scoprendo però che neanche Peter è ancora capace. I bambini riferiscono il tutto alle loro madri, le quali si preoccupano e cercano di escogitare uno stratagemma perché Heidi frequenti la scuola come tutti i bambini. A casa il nonno spiega ad Heidi che non vuole mandarla a scuola perché rovina i bambini, mentre lei vivendo a contatto con la natura sta imparando molte più cose di quelle che si trovano nei libri.

La zia Dete sale a parlare con il Vecchio dell'Alpe e gli spiega il motivo del suo ritorno: ha trovato una famiglia di Francoforte, i Seseman, pronti a prendere con sé Heidi per farne la compagna di giochi di Clara, la figlia paralitica del signor Seseman. Il nonno non vuole perdere Heidi perché le si è affezionato, ma Dete lo minaccia di portarlo in tribunale perché non le lascia la bambina. Dete dice che dovrà decidere Heidi se andare o meno, ma le fa credere che Francoforte sia poco distante e che potrà fare ritorno in serata. Peter, sua nonna e il Vecchio sono disperati per la partenza di Heidi: il nonno spiega a Peter che non tornerà più perché sicuramente resterà affascinata dalla città. Peter sale al loro abituale ritrovo sui pascoli per piangere disperato.

Quando Heidi capisce che Francoforte non è dietro l'angolo ormai è troppo tardi: Dete la trascina sul treno e la bambina vede le sue amate montagne farsi sempre più piccole. Arrivate a Francoforte Dete e Heidi vengono ricevute dalla signora Rottenmeier, l'arcigna governante di casa Seseman, con la quale Dete aveva preso accordi per far venire Heidi. La Rottenmeier resta negativamente colpita da Heidi perché risponde male, è analfabeta e non ha 12 anni come Clara. Inoltre, alla governante non le piace il nome Heidi e Dete le spiega che in realtà la bambina si chiama Adelaide come sua madre.

Con la scusa di tornare a lavoro Dete scappa via dal colloquio con la signora Rottenmeier, lasciando Heidi in casa Seseman. La bambina fatica ad ambientarsi con le rigide regole imposte dalla signora Rottenmeier e le sue alquanto bizzarre abitudini, come salire in piedi sulla sedia o prendere la carne con le mani, sconvolgono la governante. Ad Heidi concetti come la puntualità ai pasti oppure il trattare la servitù con severità le sono sconosciuti. Heidi chiede al simpatico cameriere Sebastiano di poter guardare fuori dalla finestra, ma è triste nel non vedere le montagne. Clara le chiede se vuole tornare a casa, ma Heidi ci ripensa perché la ragazzina paralitica le fa pena e decide di restare ancora un po' di tempo con lei, così quando andrà via potrà portare tanti regali in montagna.

Durante la prima lezione con il maestro, Heidi si addormenta e sogna le montagne, svegliandosi di soprassalto e facendo cadere la tovaglia con sopra l'inchiostro. Di pomeriggio la bambina non sa cosa fare perché la sua amica Clara deve fare il riposino e la signora Rottenmeier non vuole che sia disturbata. Heidi libera l'uccellino di Clara perché non le piace che gli animali siano rinchiusi in gabbia, così la signora Rottenmeier la punisce chiudendola in cantina con i topolini. La cameriera Tinette viene mandata a riprenderla, ma fugge terrorizzata quando vede che nella gonna di Heidi brulicano tanti topolini. Hansi è tornato nella sua gabbia e Heidi promette a Clara che un giorno la porterà sui monti per farle vedere che gli animali vivono davvero in libertà.

La signora Rottenmeier non vuole che Heidi racconti a Clara delle sue montagne e soprattutto che le insegni a fischiare con le dita. Heidi sente il bisogno di vedere le sue montagne, così Sebastiano le consiglia di andare sul campanile in città per avere una vista panoramica migliore rispetto a quella della casa. Per strada Heidi incontra un giovane suonatore di fisarmonica che l'accompagna dal campanaro che, nonostante sia una persona scontrosa, la fa salire sulla torre. Heidi rimane però delusa perché nemmeno da lì si riescono a vedere le montagne. Mentre scende le scale avvilita Heidi sente dei miagolii e trova una cesta piena di gattini.

Il campanaro dà il permesso ad Heidi di prendere un micino, mentre gli altri le verranno recapitati a casa Seseman: la bambina sceglie un gatto bianco. La signora Rottenmeier fugge via terrorizzata quando scopre che Heidi ha portato in casa un gatto bianco e ordina a Sebastiano di liberarsene. Heidi e Clara convincono il cameriere a tenere il gatto, al quale danno il nome Miao, nascondendolo nella soffitta, dove la Rottenmeier non mette mai piede. Il giorno dopo la lezione viene interrotta dall'arrivo del fisarmonicista che vuole essere pagato per il favore fatto ad Heidi: Sebastiano gli chiede di suonare per le bambine, facendo arrabbiare la signora Rottenmeier. Intanto sui suoi piedi, passa una tartaruga verde. Dopo che la governante lo ha cacciato via, arriva nuovamente Sebastiano con la cesta dei gattini: questi escono e spaventano la signora Rottenmeier, costretta a saltare in piedi sul tavolo. Clara è contenta perché non si è mai divertita come quel pomeriggio.

Heidi e Clara approfittano dell'assenza della signora Rottenmeier per giocare con Miao. La governante torna a sorpresa, avendo dimenticato una cosa, e le sorprende con il gatto, ordinando a Tinette di buttarlo fuori di casa. Dopo aver spiegato alle bambine che non possono tenere il gatto bianco perché è portatore di malattie, quindi pericoloso per la precaria salute di Clara, la signora Rottenmeier chiude Heidi in camera sua perché sta piangendo. Heidi decide di lasciare casa Seseman perché le è stato tolto l'ultimo legame con la montagna. Per strada la bambina incontra il fisarmonicista e si ferma con lui, ma proprio in quel momento passa la carrozza con a bordo la signora Rottenmeier che la deve portare a casa. Sebastiano confessa ad Heidi che il gatto Miao si trova al sicuro da suo fratello. La bambina si rende conto che non ha alcuna possibilità di fuga e si rassegna al suo destino di rimanere a Francoforte.

La signora Rottenmeier confessa al maestro di essere preoccupata perché Heidi non ha ancora imparato l'alfabeto, sempre più convinta che la bambina sia inadatta per stare assieme a Clara. Mentre si sta esercitando nella scrittura, Heidi immagina che le lettere sul foglio si trasformino in stambecchi che la portano a casa, risvegliandosi in piedi sul tavolo intenta a salutare gli altri animali. Sebastiano porta un telegramma in cui il signor Seseman annuncia il suo ritorno per il giorno seguente. La signora Rottenmeier interrompe la lezione per dedicarsi ai preparativi della casa e decide di ispezionare la stanza di Heidi, temendo che sia in disordine. La governante apre l'armadio e trova tanti panini bianchi che la bambina ogni giorno ha preso dalla tavola per portarli alla nonna di Peter. La signora Rottenmeier ordina a Tinette di bruciarli immediatamente, Heidi fa una scenata e la governante la avverte che l'indomani informerà della faccenda il signor Seseman. Heidi cade nello sconforto, anche perché Clara stavolta dà ragione alla signora Rottenmeier. Per consolarla, Clara le racconta la favola dei tre capretti e del lupo che le ha insegnato suo padre. Heidi smette di piangere e Clara la rassicura che suo padre è molto simpatico e sicuramente andranno d'accordo.

Il signor Seseman arriva a casa e ha un'ottima impressione riguardo a Heidi, contento che finalmente sua figlia Clara abbia compagnia. La signora Rottenmeier racconta al signor Seseman tutto quello che la bambina ha combinato da quando è arrivata, sottolineando il cattivo ascendente che potrebbe avere su Clara. Il signor Seseman vuole sentire anche il parere di Clara e manda Heidi a prendergli un bicchiere d'acqua gelata per poter parlare a tu per tu con a figlia. Mentre Heidi attraversa la città alla ricerca del bicchiere d'acqua, non reputando quella in casa abbastanza fresca, Clara difende la sua amica e accusa la signora Rottenmeier di parlare male di lei soltanto perché prevenuta nei suoi confronti. Heidi giunge a una fontana, dove incontra un signore anziano al quale offre un bicchiere d'acqua e che dice di conoscere i Seseman. Rientrata a casa, proprio quando la signora Rottenmeier stava uscendo per cercarla, Heidi consegna il bicchiere al signor Seseman e scatena l'ilarità generale quando gli domanda se è abbastanza fresca. La bambina scopre che il signore incontrato alla fontana è il dottor Classen, il medico di Clara. Il signor Seseman rimane a casa dieci giorni e comunica alla signora Rottenmeier che ha deciso di tenere Heidi con loro, in quanto le è sembrata una bambina assolutamente normale. Inoltre, consapevole delle difficoltà della governante nel gestire Heidi, ha chiesto a sua madre di stabilirsi in casa con loro.

Heidi è agitata per l'arrivo della nonna di Clara, soprattutto perché la signora Rottenmeier ha preteso che si esercitasse a salutarla in maniera educata. La governante le vieta di chiamarla nonna, poiché soltanto Clara può usare quell'appellativo e darle del tu, così Heidi ha paura che la signora Seseman sia severa come la Rottenmeier. In realtà, la nonna di Clara è una donna allegra e simpatica che si presenta a casa Seseman indossando una pelle d'orso per far spaventare le bambine, ma l'unica a prendere paura è la signora Rottenmeier che sviene sulle scale. Tra Heidi e la nonna nasce un'immediata affinità, grazie ai trucchi di magia e ai giochi che la nonna propone. Naturalmente la signora Rottenmeier non fa molto per celare la propria insofferenza nei confronti dei metodi educativi della signora Seseman, augurandosi che se ne vada presto. La nonna di Clara legge una favola ad Heidi per farla addormentare, lasciandole il libro sul cuscino.

Heidi impara improvvisamente a leggere, grazie al libro di favole della nonna: il maestro è sconvolto, tutte le sue teorie sono state screditate. La nonna decide di premiare Heidi facendola entrare nella sua stanza, dove tiene tantissimi giochi: Heidi resta colpita da un grande quadro che raffigura le sue montagne e scoppia in lacrime. La nonna capisce che la bambina soffre di nostalgia per il nonno e gli animali, così le viene l'idea di organizzare una gita in campagna, anche perché Clara non è mai uscita di casa. La signora Rottenmeier è contraria perché Clara è molto delicata, ma la nonna la fa stare zitta perché tenendola rinchiusa tra le quattro mura domestiche fa soltanto il suo male. Una volta arrivati, Heidi è finalmente libera di scatenarsi correndo sui prati.

Heidi si mette a giocare con due bambini, figli di contadini del posto, per prendere una farfalla per Clara, la quale rimane da sola e diventa molto triste perché crede di essere stata abbandonata dalla sua piccola amica che preferisce correre e saltare invece di rimanere accanto a lei. Vorrebbe ritornare subito a casa, e quasi desidera che Heidi ritorni alle sue montagne, ma è un'arrabbiatura passeggera. Durante la giornata Clara ed Heidi vivranno tante avventure: il gioco del nascondino, la gita in battello sul fiume, la mungitura delle capre, quando Clara assaggerà per la prima volta il loro latte. Al ritorno a casa Clara si ammala di febbre per gli sforzi compiuti a cui non è abituata, ma confida ad Heidi di essere felice perché è stata una giornata che non dimenticherà mai.

Heidi e la nonna intrattengono la convalescente Clara con degli spettacolini usando i burattini, facendo arrabbiare la signora Rottenmeier che vorrebbe la lasciassero riposare in pace. Heidi viene mandata dal dottor Classen a ritirare una nuova cura per Clara: nell'ambulatorio del medico Heidi gli chiede qualche suggerimento per aiutare Clara a guarire prima e il dottore le consiglia di farla uscire di casa. Heidi ha un'idea: tornare al bosco in cui sono state con la nonna per raccogliere dei fiori. Sul posto incontra gli stessi ragazzini dell'ultima volta e insieme catturano tantissime farfalle che chiudono in una cesta assieme ai fiori. Heidi e la nonna liberano le farfalle in camera di Clara, la quale è guarita e segue il suggerimento del dottore, uscendo per qualche ora nel giardino di casa. La nonna ha capito che ormai Heidi e Clara possono cavarsela da sole e dice al dottore che presto tornerà a casa, ma non ha il coraggio di dirlo alle bambine.

Da una mezza frase della signora Rottenmeier, Heidi e Clara scoprono che la nonna sta per partire: davanti a una Heidi in lacrime, la nonna le promette che tornerà quando avrà imparato a leggere tutto il libro di favole che le ha regalato. Come ultima cosa prima dei saluti la nonna porta le bambine in città e, dopo aver visto un matrimonio, le viene l'idea di organizzarne uno finto in casa con Clara che reciterà il ruolo della sposa. Durante i balli e i momenti di giubilo, ai quali ovviamente non partecipa la signora Rottenmeier, la nonna ne approfitta per partire senza dire nulla alle bambine: Heidi se ne accorge e tenta di correre dietro alla carrozza, ma alla nonna non resta che salutarla. Casa Seseman ripiomba nella depressione che c'era prima del suo arrivo.

La signora Rottenmeier riprende le redini del comando e vuole che Heidi e Clara dimentichino il periodo trascorso con la signora Seseman, tornando alle vecchie abitudini. La partenza della nonna ha lasciato un profondo vuoto in Heidi, la quale non mangia più e appare sempre più pallida. La bambina inizia a meditare circa una possibile partenza, ma Clara non vuole perderla e accusa la signora Rottenmeier di averla esasperata. La governante, che non vuole certamente scontentare Clara, ordina ad Heidi di non nominare più le sue montagne davanti a lei, proibendole anche di piangere per non farla agitare. Una notte Tinette urla terrorizzata, sostenendo di aver visto un fantasma aggirarsi sulle scale.

Clara ha paura per il fantasma e chiede alla signora Rottenmeier di scrivere un telegramma a suo padre. Il signor Seseman torna a casa e chiama il dottor Classen per appostarsi insieme a lui di notte e scoprire chi sia il misterioso fantasma: si tratta di Heidi, la quale è scesa dal letto perché sognava di trovarsi nella sua baita in montagna. Il dottore mette la bambina a letto e parlandoci scopre che la signora Rottenmeier l'ha costretta a reprimere le lacrime. Classen è chiaro con il signor Seseman: Heidi deve tornare in montagna perché altrimenti potrebbe ammalarsi seriamente. Il signor Seseman rimprovera duramente la signora Rottenmeier perché è stata lei a causare il malessere di Heidi, poi convince Clara che la cosa giusta da fare è far tornare la sua piccola amica a casa sua e le promette che un giorno la potrà raggiungere. Clara accetta la partenza di Heidi e le dà dei regali: un fischietto per Peter, i panini bianchi per sua nonna e il tabacco da pipa per il nonno.

Heidi lascia Francoforte con Sebastiano, incaricato dal signor Seseman di accompagnarla nel viaggio perché la zia Dete non può prendersi le ferie. Heidi pregusta con ansia di rivedere le sue montagne: quando appaiono all'orizzonte Sebastiano capisce perché la bambina in città era così triste. Sebastiano ed Heidi salgono fino in paese a bordo del carretto del fornaio, al quale Heidi lascia la sua valigia che il nonno provvederà poi a ritirare. Heidi saluta Sebastiano e prosegue da sola: prima si ferma a casa della nonna di Peter per darle i panini bianchi, poi finalmente può riabbracciare il suo caro nonnino.

Heidi è fuori di sé dalla gioia e per tutto il giorno non sa se ridere o piangere: è tornata a casa e solo questo conta. Quando Peter arriva dal pascolo con le capre, Heidi rivede Diana, Bianchina e Fiocco di neve, nel frattempo cresciuta e diventata mamma di una nuova capretta. Peter è incredulo al primo momento, ma poi si rallegra per aver ritrovato la sua cara amica. Tutto per Heidi è come quando l'aveva lasciato: i suoi abeti, la capanna, i suoi prati, ma quando si accorge che è tanto cresciuta da non entrare più nei suoi vecchi vestiti e che Bianchina è incinta, capisce che in realtà qualcosa è cambiato.

Heidi torna con Peter sui pascoli con le capre: è talmente felice che ha paura sia tutto un sogno e di risvegliarsi a Francoforte. Si rotola nei prati fioriti, osserva di lontano gli stambecchi e l'aquila che volteggia libera nel cielo. Nel tentativo di recuperare una capretta che si era unita a un branco di stambecchi, rischiando di precipitare dalle montagne, Heidi e Peter scoprono un posto nuovo: un bellissimo laghetto. Intanto il nonno scende al villaggio per riprendere la valigia: quando il fornaio e sua moglie gli dicono che Heidi al suo arrivo sembrava una ragazzina di città, il vecchio scoppia in una fragorosa risata e se ne va borbottando "Sì... Ragazzina di città...", ridacchiando tra sé. Il fornaio e la moglie si guardano in faccia stupiti: in tutta la loro vita non avevano mai visto il Vecchio dell'Alpe ridere. Il nonno regala alla nipotina un nuovo vestito, stavolta della taglia giusta.

Heidi riceve una lettera da Clara che le racconta delle sue tristi giornate a Francoforte senza di lei e decide di risponderle invitandola in montagna. Bianchina partorisce una caprettina che la ragazzina chiama Bella. Quando Heidi va a trovare la nonna di Peter, fra lo stupore della vecchia e di Brigida, si mette a leggere un libro di favole svizzere che piacciono alla nonna. La sera il nonno osserva pensieroso Heidi, mentre si diverte leggendo il libro che le aveva regalato la nonna di Clara, e decide che è arrivato il momento di mandarla a scuola, ma dovranno trasferirsi in paese per l'inverno. Inizialmente il Vecchio pensa di affittare una casa, ma per pagare concorda con il proprietario di vendergli Bella: Heidi è fermamente contraria, quindi il nonno cambia idea e decide di ristrutturare la sua vecchia casa.

È giunto l'inverno: Heidi e il nonno si trasferiscono al villaggio nella casa che il Vecchio ha ristrutturato durante l'autunno. Al primo impatto con la nuova casa Heidi rimane interdetta, ma dopo averla esplorata all'interno cambia idea perché è molto spaziosa. Heidi vuole che Peter il giorno dopo venga a scuola con lei e gli strappa una solenne promessa, nonostante Peter non si muova mai quando nevica. L'indomani mattina Peter arriva davanti alla scuola molto presto e trova una signora che gli chiede di raggiungere il marito portandogli la borsa che ha lasciato a casa: Peter corre più in fretta che può, ma quando trova l'uomo questi lo porta con sé a pranzo a Maienfeld e così gli fa perdere le lezioni. Peter vuole comunque onorare la sua promessa e corre come un forsennato dalla stazione fino a scuola: Heidi è piacevolmente colpita dal comportamento di Peter e fa stare zitti i compagni di scuola che lo prendevano in giro perché si fa comandare da una ragazzina.

Heidi chiede a Peter di consegnare una sua lettera alla nonna, con il secondo fine di costringerlo finalmente a leggere. Il giorno dopo Heidi viene a sapere dai compagni di scuola che ci sarà l'annuale gara di slitte, aperta solo ai maschi. Heidi cerca di convincere Peter a partecipare, ma lui non ha mai gareggiato perché la sua slitta è troppo vecchia. Heidi convince Peter a costruire da sé una slitta nuova con la quale gareggiare, sotto la supervisione del nonno che intuisce le capacità di falegnameria di Peter. Il ragazzo vince a pari merito la gara.

L'inverno è finito: il nonno e Heidi chiudono la casa in paese per ritornare alla baita. Heidi riprende lo scambio epistolare con Clara, facendo arrabbiare Peter perché lo sta nuovamente trascurando in favore della sua amica di città. A Francoforte Clara costringe la signora Rottenmeier a scrivere a suo padre in modo che possa tenere fede alla promessa fattale tempo prima. Il signor Seseman torna a casa e discute della faccenda con il dottor Classen, chiedendogli di partire in avanscoperta per vedere come si presenta il posto. Clara spiega tutto ad Heidi in una lettera, ma la ragazzina ne fraintende il contenuto e pensa che Clara stia per venire accompagnata dal dottore.

Per Heidi la delusione è tantissima nel vedere arrivare alla baita soltanto il dottore, ma questo la rende ancora più determinata nel convincerlo a far venire Clara. Heidi e Peter portano il dottore sui pascoli per mostrargli la bellezza del posto: il dottore rimane estasiato ma, come racconta al nonno una volta rientrato alla capanna, è troppo pericolo per Clara perché non potrebbe muoversi in libertà con la sedia a rotelle. La sera Heidi porta il dottore a casa di Peter per dare alla nonna e Brigida i regali provenienti dalla città: il dottore visita la nonna di Peter e ne constata l'ottimo stato di salute. Quando Heidi va a letto, il nonno chiede al dottore se c'è una possibilità che Clara cammini: la sua risposta è sì, ma il problema è che lei si è sempre rifiutata di fare gli esercizi. Il mattino seguente Heidi riesce a convincere il dottore che, facendo venire Clara in montagna, potrebbe guarire.

Heidi riceve una lettera da Clara nella quale le annuncia il suo arrivo: la sua contentezza è leggermente guastata dalla notizia che ad accompagnarla sarà la signora Rottenmeier. Tutti i giorni il nonno scende in paese per allestire la casa, mentre Heidi rimane alla baita a sbrigare le piccole faccende domestiche. Il giorno dell'arrivo di Clara una carrozza fa il suo ingresso in paese creando scompiglio tra i bambini: Heidi è fuori di sé dalla felicità e corre a salutare Clara, presentandola subito al nonno. La signora Rottenmeier intuisce sin dall'inizio che sarà difficile per lei ambientarsi, soprattutto quando caccia un urlo scambiando Peter per un orso. Dopo aver cenato Heidi e Clara si addormentano presto perché il giorno dopo saliranno alla baita di buon'ora.

Clara è entusiasta all'idea di salire alla baita e vedere le bellezze della montagna che Heidi le ha descritto così tante volte. Heidi si alza dal letto e trova in cucina un'abitante del paese, pagata dalla signora Rottenmeier per preparare loro la colazione. È tutto pronto per partire: la signora Rottenmeier ha ingaggiato due uomini con una portantina per Clara, mentre lei è costretta a salire su un cavallo. In montagna Clara si sente davvero bene e mangia con appetito, fatto mai accaduto a Francoforte. Al tramonto i contadini tornano a prendere Clara e la signora Rottenmeier per riportarle in paese, ma Clara vorrebbe dormire nella baita insieme ad Heidi e, per la prima volta, riesce a spuntarla sulla governante. La signora Rottenmeier accetta con riluttanza il volere di Clara, dicendo che farà avanti e indietro tutte le mattine per verificare che tutto proceda regolarmente.

Clara si sveglia prestissimo e assiste alla sua prima meravigliosa alba in montagna. Inizia così una nuova giornata di meraviglie per lei: finalmente può stendersi sull'erba e conoscere gli insetti, godendo di una libertà mai assaporata. Peter è costretto a sorbirsi la signora Rottenmeier che sale alla baita con lui anziché affittare il cavallo perché la notte prima ha trovato una pulce sul letto. Peter dice alla governante che le sue scarpe sono inadatte a camminare in montagna e gli presta un paio di scarponcini: la governante li trova orrendi e cammina a piedi nudi, bucandosi le calze con l'erba alta. Una volta arrivata a destinazione, la signora Rottenmeier inorridisce alla vista di Clara sull'erba e vuole che faccia i compiti come aveva promesso prima di partire. Clara continua a rimandare l'incombenza perché non vuole proprio pensare a studiare e il nonno le mostra come fare il formaggio. Mentre Clara fa il riposino, Heidi va a prenderle dei fiori e incontra Peter, furioso con lei perché Clara monopolizza la sua attenzione e le impedisce di venire con lui sui pascoli. Al pastorello viene un'idea: l'indomani porterà Clara ai pascoli in braccio.

Mentre Heidi si precipita all'alba da Brigida per farsi prestare un paio di vecchi pantaloni, il nonno ha costruito un freno per la sedia a rotelle di Clara. Heidi convince Clara a indossare i pantaloni per rendere a Peter più facile il compito di portarla in braccio, approfittando dell'assenza della signora Rottenmeier che si è offesa dal comportamento di Peter del giorno prima e quindi salirà da sola. La giornata di Clara sui pascoli è indimenticabile, mentre alla baita la signora Rottenmeier rinfaccia al nonno l'aver lasciato andare i ragazzi da soli: il Vecchio ricorda alla governante che è stato il dottore a far venire Clara in montagna. Al ritorno dai pascoli Peter avverte la stanchezza per aver trasportato Clara, ma riesce a resistere e ad arrivare alla baita.

Peter tarda ad arrivare e Clara si sente in colpa perché ritiene che il giorno prima gli abbia fatto fare uno sforzo eccessivo a portarla in braccio: in realtà Peter ha lavorato tutta la notte per preparare una portantina a spalla, così da trasportarla più agevolmente. La signora Rottenmeier stavolta è presente e non intende dare il proprio consenso, ma il nonno vede che la portantina di Peter è buona e dà a Clara il suo permesso. La signora Rottenmeier sta stendendo i panni quando scoppia una forte pioggia: risoluta a voler salire sui pascoli per accertarsi che Clara stia bene, la governante accompagna il nonno e indossa un paio di vecchi pantaloni, percorrendo molto goffamente la salita. Intanto Heidi e Peter hanno trovato riparo sotto la coperta e Clara ha raccontato loro una storia. Una volta che il nonno e la signora Rottenmeier sono arrivati, è tornato il bel tempo e appare un bellissimo arcobaleno. Il giorno dopo Clara va a conoscere la nonna di Peter e le legge alcune poesie di Eduard Mörike ("In viaggio" e "Mattinata di settembre") dal libro che la vecchia aveva imparato a memoria da giovane. La nonna è contenta che la ragazzina legga per lei e Clara piange di gioia, perché per la prima volta nella sua vita è stata utile a qualcuno.

La signora Rottenmeier scrive al signor Seseman perché vuole che li raggiunga in montagna per raddrizzare Clara, la quale non sta studiando e perde il suo tempo. Il padre di Clara però manda sua madre, facendo innervosire la governante perché tra loro non corre buon sangue. La nonna di Clara resta piacevolmente colpita dalla nipote, che si è irrobustita e soprattutto ha finalmente abbandonato la sua sedia a rotelle, senza dar retta più di tanto alle lamentele della signora Rottenmeier che propone di tornare a casa perché l'obiettivo del viaggio, cioè far cambiare aria a Clara, è stato raggiunto. Il nonno spiega alla signora Seseman che, secondo il dottor Classen, Clara potrebbe tornare a camminare, però c'è bisogno che si trattenga da loro ancora un po' di tempo. La nonna, eccitata all'idea che Clara possa camminare, accetta la proposta del nonno e decide di mandare a casa la signora Rottenmeier, la quale con le sue eccessive premure sarebbe solo d'intralcio alla guarigione di Clara. Al tramonto la nonna conosce Peter e gli regala un coltellino per aver aiutato molto Clara. La signora Rottenmeier piange perché è costretta a separarsi dalla sua amata Clara: Heidi e Clara sono sorprese nello scoprire che anche la severa governante ha un lato umano.

La signora Rottenmeier parte per tornare a Francoforte: la nonna, dopo averla salutata sulla carrozza, sale alla baita. Heidi e Clara, convinte che il suo ritardo sia dovuto alle compere, si aspettano un regalo: la nonna non può accontentarle, ma promette loro che presto avranno una grande sorpresa. Clara sta leggendo a sua nonna quando arriva una mucca che si avvicina minacciosamente: Clara ha una reazione istintiva e si alza in piedi per qualche secondo. La nonna non crede ai suoi occhi e si convince che la nipote un giorno potrà camminare.

La nonna ha deciso di andare in una stazione termale perché, lasciando Clara da sola, potrebbe venirle il desiderio di imparare a camminare. Stavolta però non intende fuggire di nascosto come ha fatto a Francoforte, ma vuole organizzare una festa nella casa del nonno in paese. La giornata della partenza Heidi e Peter portano la nonna sui pascoli e la sera scendono tutti in paese per la festa. La nonna dice ad Heidi di invitare pure i suoi compagni di scuola, rimasti a guardare sorpresi dall'ingresso. Vedendo i bambini correre, a Clara viene finalmente il desiderio di imparare a camminare: il nonno le propone di iniziare gli esercizi il giorno seguente, ma deve essere lei a volerlo. Prima che la nonna parta, Clara le promette che imparerà a camminare.

Clara ha promesso che si sarebbe impegnata e da oggi cominciano i lunghi e faticosi esercizi. È un'altalena di entusiasmi e scoramenti per la ragazzina, anche a causa dell'impazienza di Heidi e di Peter. Quando ormai sembra che abbia rinunciato, il nonno parlandole con calma la convince a perseverare, fino a quando riesce a reggersi in piedi da sola per qualche istante.

Il nonno nasconde la sedia a rotelle nel ripostiglio, in modo che Clara non l'abbia più sotto gli occhi. Gli esercizi della ragazzina continuano, fino a quando, tentando di camminare da sola, perde l'equilibrio e cade. Clara è di nuovo scoraggiata e la mattina seguente, un po' camminando e un po' strisciando va di nascosto fino al ripostiglio per tentare di riprendersi la sedia a rotelle, ma un suo gesto maldestro fa rotolare la sedia giù dal pendio fino a rompersi contro un masso. È a questo punto che Clara si rende conto che ormai ha tagliato i suoi ponti col passato e non può più tornare indietro. Non ha più la sedia a rotelle, che odiava ma che era tanto rassicurante, adesso avrebbe dovuto farcela da sola. È come se la gabbia dorata del canarino Hans si fosse finalmente rotta e lui non potesse fare altro che volare via libero.

Clara ormai non solo si regge in piedi, ma comincia a fare i primi passi. È quindi arrivato il momento di avvertire la nonna, ma le due bambine decidono di farle una sorpresa e di non raccontarle tutto: le fanno quindi credere che Clara sta facendo molti progressi, ma per ora comincia a sollevarsi in piedi anche se con fatica. La nonna, non appena ricevuta la lettera delle bambine, arriva subito in montagna, ma anche lei ha una sorpresa in serbo: assieme a lei è infatti arrivato anche il signor Seseman, il padre di Clara. Anche se Peter dovrebbe accudire le capre al pascolo, non vuole perdersi la scena di Clara che cammina da sola incontro al padre, che la guarda attonito. Ormai però è arrivato l'autunno e Clara deve tornare a Francoforte e subito dopo, sotto lo sguardo placido e sereno della signora Rottenmeier, riesce per la prima volta a camminare, ma ormai sono tutti certi che passato l'inverno ritornerà sui monti dalla sua amica Heidi e quel giorno potrà finalmente correre e saltare assieme a lei. Heidi e Peter tornano a fare una gara di slitta e affrontano i loro rivali ad ogni costo.