Cuando comienza la novela de Dahl, se presenta al lector a James , un niño que queda huérfano cuando un rinoceronte se come a sus padres. En consecuencia, envían a James a vivir con sus dos tías, la tía Sponge y la tía Spiker .. Estos parientes son muy crueles con él y se siente increíblemente solo, ya que no tiene amigos y anhela jugar con niños de su edad. Pero en un día particularmente difícil, la suerte de James cambia: un anciano aparece en el jardín del patio trasero y le ofrece a James un paquete de objetos verdes mágicos. Si James sigue un conjunto de instrucciones específicas (dice el Viejo), sucederá algo espectacular. James está muy emocionado, pero mientras corre de regreso a su casa para ejecutar las instrucciones, tropieza y los objetos mágicos verdes se entierran en el suelo. James está increíblemente molesto, pero cuando comienza a reanudar sus tareas, escucha a sus tías gritar.
James pronto descubre el origen de la conmoción: un melocotón ha comenzado a crecer en la rama superior de un melocotonero previamente estéril. Mientras los tres miran, el melocotón se vuelve más y más grande, hasta que es más grande que toda la casa de las tías. Buscando sacar provecho de este extraño evento, la tía Sponge y la tía Spiker instalaron una cerca y comenzaron a cobrar la entrada para ver el melocotón. Le prohíben a James interferir, por temor a que arruine su esquema lucrativo. La noche después del primer día de visitas, James se escapa de la casa para visitar el melocotón. Ve un agujero en la parte inferior del melocotón y se da cuenta de que este agujero es la entrada a un túnel. Comienza a arrastrarse y finalmente entra en el hueso hueco del durazno en el centro de la fruta.
Cuando James ingresa a la cámara interior del pozo, se encuentra con una extraña variedad de criaturas, que inicialmente lo intimidan: Miss Spider, Centipede, Earthworm, Old-Green-Grasshopper y otros. Al día siguiente, James y sus nuevos compañeros comienzan su viaje lejos de la tía Sponge y la tía Spiker. Centipede corta el melocotón de su árbol y el melocotón comienza a rodar, aplastando todo a su paso, incluidas la tía Sponge y la tía Spiker, que mueren. Luego, el melocotón rueda desde un acantilado a varias millas de distancia y aterriza en el Océano Atlántico.
A partir de este momento, James y sus amigos se enfrentan a una serie de obstáculos. Deben escapar del ataque de los tiburones, evadir a los Cloud-Men y su ira, y resolver disputas internas. James se afirma a sí mismo como el líder y con frecuencia salva el día. Cuando los tiburones atacan, hace que sus compañeros aten cuerdas a las gaviotas cercanas, luego al tallo del melocotón, el melocotón sale del agua y comienza a volar por los aires. Después de un día de vuelo, James y sus amigos se dan cuenta de que han cruzado todo el Atlántico; ahora pueden ver la ciudad de Nueva York debajo de ellos.
Comienzan a cortar las cuerdas de las gaviotas una por una, cuando de repente un avión de pasajeros vuela sobre ellos y corta todas las líneas a la vez. Su descenso gradual a la ciudad se arruina y comienzan a hundirse rápidamente. Todos se aferran a su vida, pensando que la muerte es inminente, pero aterrizan a salvo en el pináculo del Empire State Building. Después de explicar su situación a los policías y bomberos de la ciudad de Nueva York, James y sus amigos son llevados al nivel de la calle y son recibidos generosamente. La ciudad organiza un desfile en su honor y, al final del desfile, los niños locales se han comido todo el melocotón y quieren probar la fruta gigante.
Después del desfile, James y sus amigos viven felices para siempre. El hueso de durazno restante se establece como un monumento en Central Park, y James vive dentro de él. Tantos niños lo visitan con la esperanza de escuchar su historia, que decide escribir un libro sobre el viaje. El libro que escribió es el libro que el lector acaba de leer.