1984年。イングランド北部・ダーラムの炭鉱町エヴァリントンに住むビリー・エリオットは、炭鉱夫である父・ジャッキーと兄のトニー、そして軽度の認知症を患う祖母と一緒に暮らしている。母・ジェニーはビリーが幼い頃に亡くなっていた。当時のイギリスは炭鉱不況の真っ只中で、父と兄は炭鉱ストライキに参加していた。父はボクシングの熱烈なファンであり、近所のジムにビリーを通わせている。しかしビリー自身は、殴り合うというボクシングの特性に馴染むことができなかった。
そんなある日、ボクシング・ジムの隅でバレエ教室が開かれることになった。もともと音楽が好きであったビリーは、音楽に合わせて優雅に踊るバレエに魅せられ、密かに教室に参加しコーチであるサンドラ・ウィルキンソンに師事し、彼女の指導を仰ぐ。ウィルキンソンはビリーにバレエの才能を見いだし、ビリーもそれに答えるかのようにみるみると上達していく。
しかし、内緒のバレエ教室通いを知った父・ジャッキーは激怒し、親子には亀裂が走る。ビリーから亡き母・ジェニーの手紙を見せられたウィルキンソンは、彼女を偲ぶ。ストは長引き過激化し、首謀者のリーダー格の兄・トニーは警官に逮捕される。ウィルキンソンはビリーにオーディションを受けさせようとするが、家族の苦境を目の当たりにしたビリーはそれに従うことができない。ビリーの才能を訴えるウィルキンソンに対し、兄・トニーは「ビリーをあんたの暇つぶしのおもちゃにするな」と言い放ち、大喧嘩に発展する。
クリスマス、亡き妻・ジェニーの思い出から逃れようと形見のピアノを壊して燃やす父・ジャッキー。閉塞感に満ちた空気の中、外に出たビリーは無心に踊る。父はその姿に才能を確信し、ビリーの望みを叶えることを決意する。翌日、父はスト破りの列に加わる。兄は激怒するものの、事情を知った炭鉱仲間がカンパをし、ビリーはロンドンのロイヤル・バレエ学校を受験し、合格する。
14年後、父とトニーが駆け付けた大劇場で、ビリーがマシュー・ボーンの「白鳥の湖」を踊り物語の幕が下りる。