Der achtjährige Lillebror lebt mit seinen Eltern, seiner Schwester Betty und seinem Bruder Birger in einer ganz normalen Wohnung einer schwedischen Großstadt. Lillebror lernt Karlsson auf dem Dach kennen. Karlsson, ein alter Junge oder ein junger alter Mann, ist eine Märchenfigur. Mit Hilfe eines motorbetriebenen Propellers, den er auf Knopfdruck bedienen kann, besitzt er die Fähigkeit zu fliegen. Er wohnt in einem kleinen Haus, auf dem Dach - daher auch sein Name - Karlsson auf dem Dach. Ansonsten besitzt Karlsson typisch menschliche Eigenschaften, die allerdings ins Extreme gesteigert sind. Er ist ein Angeber, launisch, mitunter sogar boshaft und immer zu Streichen aufgelegt. Zwischen ihm und Lillebror entwickelt sich eine innige Freundschaft...

Betty, Lillebrors Schwester, erwartet am Abend Pelle, ihren neuesten Verehrer, in der Wohnung ihrer Eltern. Sie nimmt Lillebror das Versprechen ab, sich den ganzen Abend nicht im Wohnzimmer blicken zu lassen. Natürlich erscheint "zur rechten Zeit" Karlsson auf dem Dach. Sie bringen mit einem Streich das Rendezvous zum Platzen. Am nächsten Tag simuliert Karlsson heftiges Fieber und überredet Lillebror, von seinem Taschengeld die Zutaten für die heilende Kuckelimuck zu kaufen. Die Arznei besteht aus Himbeerbonbons, Sahnebonbons und Lakritze, die zu einer Grütze verrührt werden. Karlsson nimmt Lillebror auf seinen Rücken, und beide fliegen in das Häuschen auf dem Dach, wo der "Todkranke" mit sichtlichem Vergnügen die Medizin einnimmt.

Einen Hund zu haben ist Lillebrors größter Wunsch. In einem Park sieht er einen kleinen Hund. Da offensichtlich kein Besitzer in der Nähe ist, nimmt er ihn mit nach Hause, in der Hoffnung, ihn behalten zu können. Ungeachtet der Einwände von Krister und Gunilla, die übrigens von der Existenz Karlssons überzeugt wurden, weil sie ihn kennengelernt haben, nachdem sich Karlsson zuvor den Blicken aller anderen Personen um Lillebror mit Erfolg entzogen hatte. Lillebror muss natürlich den Hund an seinen rechtmäßigen Besitzer zurückgeben. Darüber ist er sehr traurig und wird erst durch einen gemeinsamen Ausflug mit Karlsson auf einen Rummelplatz getröstet.

Bei einem Ausflug mit Karlsson aufs Dach wird Lillebror von Menschen gesehen und unter großem Aufwand von der Feuerwehr gerettet. Seine erschrockenen Eltern wollen auch nichts mehr von der Ausrede: "ich bin mit Karlsson geflogen" hören und erklären sehr energisch, von dieser Fantasiegestalt Lillebrors nie wieder etwas hören zu wollen. Lillebror hat Geburtstag - sein Herzenswunsch wird erfüllt: Er bekommt einen jungen Hund geschenkt, und die vollständig verblüfften Familienmitglieder müssen erkennen, dass dieser Karlsson vom Dach, so unglaublich es auch erscheint, eine Realität ist.