故事以主角朱孝廉（邓超饰）为主线轴心，讲述书生朱孝廉与书僮后夏（包贝尔饰）在赴京赶考途中，遇上山贼孟龙潭（邹兆龙饰）大打出手，最终到了一座古寺，经由不动和尚（曾志伟饰）劝说，三人和解。而朱孝廉在古寺里发现了一幅壁画，画中人宛若鲜活灵动。在凝望之时，朱孝廉被一个从壁画出来的仙女牡丹（郑爽饰）带进了画中的仙境－－万花林。
万花林里没有男人，生活着一群美丽的仙女，她们虽然各怀绝技，却受制于仙境统领“姑姑”（闫妮饰）的强权之下。在奇异的女儿国仙境之中，众多仙女在姑姑的管理下，过着单纯而顺服的生活，姑姑惟独不许她们与男人产生感情，而且对私自闯进万花林的男人也绝不手软。在仙境里，朱孝廉认识了继承者仙女芍药（孙俪饰），在芍药的帮助下，朱孝廉躲过被姑姑发现的危险，顺利的返回人间。牡丹却被姑姑发现男人是她带进来的。
其后朱孝廉回到原来的世界，发现壁画上的牡丹被处罚受苦，书僮告知壁画是一幅地狱图。朱孝廉出于义气打算重返“画壁”世界，于是在不动和尚的帮助下，朱孝廉连同后夏与孟龙潭进入仙境。不料姑姑却一反常态，款待三位来宾，并让他们从众多仙女中挑选妻子，为万花林传宗接代。朱孝廉为不使姑姑怀疑，也假意挑选了仙女牡丹的朋友翠竹（谢楠饰）为妻子，后夏和孟龙潭也各自挑选了他们心满意足的妻子，却不知道姑姑打算利用几个男人后把他们杀光。朱孝廉得悉牡丹已被姑姑收押后，尝试取得芍药的帮助来营救，展开了一连串的奇幻冒险旅程。
三个凡间男子的到来，也彻底打乱了万花林的“秩序”，男人迷失在梦幻仙境里，人性即将受到考验；欲望、贪念、爱恨，引发了一场仙界战争，一念天堂、一念地狱……
在“画壁”的世界里，最终朱孝廉能否得到心中所爱呢？