С момента значимых событий, связанных с браком Тартальи и дочери короля Антиподов Нинетты, прошло немало времени. За эти годы в Монтеротондо произошло множество перемен. Арапка Смеральдина и Бригелла, когда-то сгоревшие, воскресли: он стал поэтом и прорицателем, она — изменилась внутренне и внешне. Труффальдино, женатый на Смеральдине, накопил достаточно украденного с королевской кухни, чтобы оставить службу и открыть колбасную лавку.
Король Тарталья отсутствовал в столице почти девятнадцать лет, ведя войны с мятежниками на окраинах королевства. В его отсутствие власть находилась в руках престарелой королевы Тартальоны, которая испытывала враждебность к Нинетте. Когда та родила близнецов — мальчика и девочку — Тартальона приказала убить их, а королю сообщила, что жена принесла лишь щенят. Получив согласие короля, она погребла Нинетту заживо в склепе под отверстием сточной ямы.
Однако Панталоне не исполнил приказ и, завернув младенцев в клеёнку, бросил их в реку. Дети были спасены Смеральдиной, которая дала им имена Ренцо и Барбарина и воспитывала их как собственных.
Труффальдино, недовольный лишними едоками, решает выгнать приёмных детей. Узнав, что они не родные и должны уйти, близнецы спокойно воспринимают известие, считая человеческие привязанности проявлением эгоизма. Освобождённые от себялюбия, они отправляются в глушь, где их не потревожат глупые и навязчивые люди.
На пустынном берегу им встречается говорящая античная статуя — царь изваяний Кальмон, бывший философ, превращённый в камень, когда избавился от последних признаков себялюбия. Он пытается убедить Ренцо и Барбарину, что любовь к себе не постыдна, поскольку отражает образ Творца. Молодые люди не принимают его слова, но Кальмон велит им бросить у дворца камень, который сделает их богатыми, и обещает помощь, сообщая, что тайна их происхождения откроется через Зелёную птичку, влюблённую в Барбарину.
Зелёная птичка уже восемнадцать лет прилетает к Нинетте в склеп, заботится о ней и предвещает скорое окончание её страданий, утверждая, что дети живы, а сама она — заколдованный принц.
Король Тарталья возвращается с войны, но не находит радости без Нинетты и не может простить ни её гибели, ни мать. Между ним и Тартальоной возникает ссора. Старую королеву вдохновляют пророчества и льстивые речи Бригеллы, который видит в себе и Тартальоне блестящее будущее на престоле и превозносит её давно ушедшую красоту. Тартальона готова пойти на всё, чтобы избавиться от сына и соединить судьбу с Бригеллой, хотя завещание в пользу жениха считает преждевременным.
Ренцо и Барбарина, последовав совету Кальмона, приходят к дворцу, но сомневаются, стоит ли философам богатство. Тем не менее, они бросают камень, и перед ними вырастает роскошный дворец. Живя в достатке, близнецы перестают заниматься философией: Барбарина, уверенная в своей красоте, тратит деньги на наряды, а Ренцо влюбляется в статую девушки Помпеи, превращённой в камень из-за тщеславия, и клянётся сделать всё, чтобы она ожила.
Смеральдина, движимая любовью к приёмной дочери, появляется во дворце. Барбарина сначала гонит её, затем пытается откупиться, но в итоге разрешает остаться служанкой. Труффальдино тоже желает жить во дворце: ему нужны комфорт и еда, так как дела в колбасной лавке идут плохо. Ренцо неохотно принимает бывшего отца в службу.
Жители дворца удивлены новым соседством. Бригелла, видя в близнецах угрозу своим амбициям, учит Тартальону, как навредить им. Король, увидев Барбарину из окна, влюбляется и готов жениться, но она остаётся равнодушна к его вниманию. Тартальона сообщает ей, что для настоящей красоты необходимы волшебные Яблоко и Золотая вода, хранящиеся в саду феи Серпентины, куда многие герои не вернулись.
Барбарина, привыкшая к быстрому исполнению желаний, сначала требует, а затем умоляет принести эти предметы. Ренцо, сопровождаемый Труффальдино, отправляется в сад. Там они едва не погибают, но Ренцо зовёт Кальмона на помощь. Тот вызывает статую с сосцами, из которых течёт вода, и нескольких изваяний. Они поят стражей-зверей, позволяя Ренцо сорвать Яблоко, а изваяния удерживают ворота, чтобы Труффальдино набрал Золотую воду.
Кальмон сообщает, что тайна оживления Помпеи и происхождения близнецов связана с Зелёной птичкой, и просит Ренцо починить ему нос, повреждённый мальчишками.
Вернувшись, Ренцо узнаёт, что король просил Барбарину стать женой, и она согласилась, но затем, по наущению Бригеллы и Тартальоны, потребовала в приданое Зелёную птичку. Желая видеть сестру королевой и оживить Помпею, Ренцо вместе с Труффальдино отправляется за птичкой к холму Людоеда.
По пути их сопровождает дьявол с мехами, благодаря чему они быстро достигают цели. Однако, не зная, как противостоять чарам Людоеда, и не имея возможности позвать Кальмона из-за невыполненного им долга, они подходят к дереву, где сидит птичка, и превращаются в каменные статуи. Барбарина, обеспокоенная судьбой брата, вместе со Смеральдиной приходит в владения Людоеда, находит их и, раскаявшись в своём высокомерии и эгоизме, просит о спасении. Кальмон появляется и объясняет, как заполучить Зелёную птичку, предупреждая о смертельной опасности ошибки. Барбарина преодолевает страх, выполняет указания, берёт птичку и оживляет Ренцо и Труффальдино, дотронувшись пером из хвоста.
Тарталья с нетерпением ждёт свадьбы с Барбариной, однако она настаивает на том, чтобы прежде услышать рассказ Яблока, Воды и Зелёной птички. Волшебные предметы и птичка открывают правду о злодеяниях Тартальоны и Бригеллы. Король, обретя детей и избежав нежелательного брака, испытывает неописуемую радость. Когда Нинетта появляется из зловонного склепа, он теряет сознание.
Зелёная птичка произносит заклятье, и Тартальона с Бригеллой превращаются в бессловесных существ — старуха становится черепахой, а её сообщник — ослом. Затем птичка сбрасывает перья и обращается в юношу, царя Террадомбры. Он объявляет Барбарину своей супругой и призывает всех присутствующих быть истинными философами, признавая свои ошибки и стремясь к совершенствованию.
