In un universo nascosto in una fabbrica di giocattoli, esiste una terra chiamata Uglyville, dove tutti i pupazzi deformati, detti anche "Uglies", vengono portati attraverso un tunnel. Nel villaggio vige la divergenza e la stravaganza, e non è necessaria alcuna perfezione; tra i suoi abitanti vive Moxi, che sogna di vivere nel "Grande Mondo" e di essere scelta da un bambino, nonostante il Sindaco Ox ritenga che tale sogno sia un mito.
Un giorno, Moxi entra nel tunnel e riesce a raggiungere il Grande Mondo, seguita dai suoi amici Wage, Ugly Dog, Lucky Bat e Babo. I cinque scoprono l'Istituto di Perfezione, dove vengono addestrate le "Pretties", le Bambole Perfette; l'Istituto è gestito dal giovane Lou, un ragazzino biondo e snello, dal carattere vano e superficiale, il quale ritiene che gli Uglies non abbiano alcuna possibilità di entrare nell'Istituto, tanto meno di superare il Guanto di Sfida, una corsa a ostacoli a forma di casa umana che determina se una bambola è in grado di usare il portale che conduce al mondo degli umani. Di fronte alla positività di Moxi, Lou alla fine accetta di fare addestrare lei e i suoi amici, ma intanto manda le sue tre Spy Girls a scoprire da dove vengono gli Uglies.
I primi giorni di addestramento si rivelano disastrosi, ma Mandy, una delle Pretties, simpatizza con loro, avendo ella una vista scadente ma essendo anche impossibilitata a indossare gli occhiali per evitare di essere etichettata come "brutta" e buttata nel cestino. Mandy aiuta i protagonisti ad addestrarsi e a vestire la parte delle "bambole perfette". Intanto, le Spy Girls rapiscono Ox, e Lou costringe quest'ultimo ad ammettere, di fronte a Moxi, che in realtà era a conoscenza del Grande Mondo fin dall'inizio, dato che in passato si allenò con Lou per il Guanto di Sfida e aveva fallito di un soffio. Lou fa dunque cadere Ox nel tunnel, e questi cade nel centro riciclaggio dove le altre bambole vengono triturate, salvo poi riuscire fortunatamente a fuggire e a tornare a casa sano e salvo. Demoralizzati dalla consapevolezza di essere soltanto prodotti fabbricati andati a male, gli abitanti di Uglyville si disperano, e la stessa Moxi si rassegna al suo destino, ma Mandy la segue e la convince a tornare e a partecipare al Guanto di Sfida. Lou cattura però entrambe le bambole e decide di farle triturare dal centro riciclaggio, ma Ox arriva insieme agli altri abitanti di Uglyville e tutti salvano le due bambole.
Arriva il giorno del Guanto di Sfida, e l'intera popolazione di Uglyville riesce a farsi ammettere nella competizione; da parte sua, Lou decide che correrà insieme alle Spy Girls, intendendo nel frattempo sabotare segretamente le possibilità di vittoria degli Uglies. Ma durante la corsa, Lou si rivela essere un codardo, abbandonando i suoi compagni che vengono salvati dagli Uglies, e arriva persino a perdere del tutto il rispetto di tutti quando dà un calcio a un bambino robot, facendolo piangere; Moxi lascia perdere la gara e culla il bambino, portando tutti a fare altrettanto, eccetto Lou. Impietosito, il sistema dichiara Moxi e gli Uglies vincitori, in quanto il vero scopo di una bambola è rendere un bambino felice, mentre Lou perde nonostante abbia finito la gara. La rabbia del ragazzino lo porta a confessare di essere solo un prototipo, e che gli è stato proibito di lasciare l'Istituto: lui stesso aveva infatti sabotato la gara di Ox nella speranza che venisse mandato alla morte nel centro riciclaggio, non potendo sopportare che un pupazzo andato a male riuscisse a finire nel Mondo degli Umani al contrario di Lou, che si dichiarava perfetto.
Vedendo come tutti lo odiano, Lou distrugge il portale al Mondo degli Umani in preda all'ira, e nonostante venga catturato dalle Pretties che lo mettono in una lavatrice, il portale è comunque irrimediabilmente distrutto. Nonostante questo, gli Uglies e le Pretties lavorano insieme per costruire un portale nuovo e completamente aperto che non richiede nessuna prova per essere attraversato. Perfezione e Uglyville si uniscono e formano la Città di Imperfezione, guidata dal Sindaco Ox. Alla fine, Moxi attraversa il portale e raggiunge le braccia di Maizy, una bambina perfetta per lei in quanto anche a lei manca un dente.