Auf der kleinen Insel Lummerland wohnen neben König Alfons dem Viertel-vor-Zwölften der Lokomotivführer Lukas mit seiner Dampflok Emma sowie die Ladenbesitzerin Frau Waas und Herr Ärmel. Eines Tages bringt der Postbote ein Paket, in dem sich ein kleiner schwarzer Junge befindet. Das Waisenkind erhält von Lukas den Namen Jim, weil es „genauso aussieht“, und wird von Frau Waas großgezogen. Als Jim 14 Jahre alt wird, bestellt der König Lukas und Emma zu sich ins Schloss. Er erklärt Lukas, dass Lummerland zu klein sei, um mit Jim einen weiteren Untertanen zu beherbergen, und fordert Lukas schweren Herzens auf, sich von Emma zu trennen. Da jedoch weder Lukas sich von Emma noch Jim sich von Lukas trennen mag, verlassen beide in einer Nacht und Nebel-Aktion die Insel mit der zum Schiff umgebauten Emma.
Nach langer Seereise landen sie in Ping, der Hauptstadt von Mandala. Dort wollen sie zum Kaiser, werden aber nicht in den Kaiserpalast eingelassen. Erfolglos versuchen sie, Geld zu verdienen, indem sie Emma als Karussell einsetzen. Hungrig treffen sie auf Ping Pong, der ihnen Reis aus der Küche des Palastes besorgt. Von ihm erfahren sie, dass die Kaisertochter Prinzessin Li Si in der Drachenstadt gefangen gehalten wird und der Kaiser sehr um sie trauert.
Jim und Lukas sprechen mit dem Oberbonzen Pi Pa Po, der die beiden wegen Bonzenbeleidigung in den Kerker werfen lassen will. Ping Pong rettet sie und ermöglicht auch ein Gespräch mit dem Kaiser. Dieser erzählt, dass Fischer im Gelben Fluss eine Flaschenpost von Li Si fanden, in der sie schrieb, sich in der Drachenstadt Kummerland bei Frau Mahlzahn in der Alten Straße 133 in der „dritten Etage links“ zu befinden. Jim erkennt, dass das Paket, in dem er nach Lummerland kam, an genau diese Adresse geschickt werden sollte.
Der Kaiser beschreibt ihnen den Weg aus der Stadt bis zu einem Gebirge, genannt die Krone der Welt. Um auf die andere Seite zu gelangen, gibt es nur eine Möglichkeit: die Durchquerung des Tals der Dämmerung. Nur knapp entkommen die beiden Abenteurer dabei dem Tod, da die Felswände im Tal unter den tausendfach reflektierten Schallwellen der fahrenden Lokomotive zusammenbrechen. Sie erreichen die Wüste namens Ende der Welt. Lukas gelingt es mit Jims Hilfe, Emma zu reparieren, die bei der rasanten Flucht durch das einstürzende Tal Schaden genommen hat. Sie lernen das Phänomen der Fata Morgana kennen, drohen aber, ohne Wasser in der Wüste zu verdursten. Nach stundenlanger Fahrt lernen sie den freundlichen Scheinriesen Herrn Tur Tur kennen, der sie in seiner Oase aufnimmt und am nächsten Tag bis zur Region der Schwarzen Felsen führt, der nächsten Hürde auf dem Weg in die Drachenstadt.
Nachdem Jim und Lukas den Mund des Todes in der Region der Schwarzen Felsen passiert haben, erreichen sie das Land der tausend Vulkane. Dort treffen sie auf den Halbdrachen Nepomuk, dessen defekten Vulkan Lukas repariert. Zum Dank verrät Nepomuk ihnen den streng geheimen Weg in die Drachenstadt. Außerdem verkleiden sie Emma als feuerspeienden Drachen und gelangen so in die Drachenstadt Kummerland und zur Alten Straße 133, wo die Schule des bösen Drachen Frau Mahlzahn liegt. Sie erfahren, dass viele Kinder aus den verschiedensten Ländern der Welt von der Piratenbande Die Wilde 13 entführt und an Frau Mahlzahn verkauft wurden, unter ihnen die vermisste Prinzessin Li Si. Jim Knopf und Lukas können schließlich mit Emmas Hilfe Frau Mahlzahn überwältigen, gefangen nehmen und die Kinder befreien. Auf dem Gelben Fluss, der hinter Frau Mahlzahns Haus entspringt und unterirdisch durch die Krone der Welt fließt, kehren sie mit der gefesselten Frau Mahlzahn im Schlepptau nach Ping zurück. Li Si erzählt unterwegs die Geschichte, wie sie von der Wilden 13 gefangen und an Frau Mahlzahn übergeben wurde.
Nach der glücklichen Rückkehr verspricht der Kaiser seine Tochter an Jim und lässt Frau Mahlzahn in eine Pagode sperren. Sie bedankt sich bei den Freunden, weil diese sie überwunden, aber nicht getötet haben. Dies ermöglicht ihr, sich schlafend in einen Goldenen Drachen der Weisheit zu verwandeln. Bereits zu Beginn der ein Jahr andauernden Verwandlung besitzt sie die Weisheit, um Jim und Lukas die Frage zu beantworten, wie sie zusammen nach Lummerland zurückkehren können, obwohl dort nicht genug Platz für alle ist. Die Lösung ist die schwimmende Insel. Frau Mahlzahn erklärt ihnen den Weg dorthin und fällt in ihren einjährigen Schlaf.
Auf der Rückfahrt nach Lummerland mit dem Staatsschiff des Kaisers fangen sie die schwimmende Insel ein und schleppen sie nach Lummerland. Dort feiern Jim und Li Si ihre Verlobung und Jim erlebt erneut eine Überraschung: Emma hat ein Baby namens Molly bekommen, so dass Jim nun auch ein richtiger Lokomotivführer mit einer eigenen Lokomotive sein kann.