En la ciudad de Cheesebridge, Norvenia, situada en la cima de una colina en la época victoriana, corren rumores de que los trolls subterráneos (conocidos como Boxtrolls por las cajas de cartón que llevan) han secuestrado a un bebé. El exterminador de plagas Archibald Snatcher llega a un acuerdo con el líder de la ciudad, Lord Portley-Rind, para exterminar a todos los Boxtrolls a cambio de ser miembro del consejo de amantes del queso de la ciudad, llamado Sombreros Blancos, a pesar de que él mismo es gravemente alérgico al queso.

En realidad, los Boxtrolls son pacíficos y salen del subsuelo por la noche para buscar objetos desechados con los que hacer inventos útiles. Un niño humano llamado Eggs vive entre ellos, cuidado por un Boxtroll llamado Fish. A medida que Eggs crece, se siente consternado por la desaparición de los Boxtrolls capturados por Snatcher. Después de que Winnie, la hija de Lord Portley-Rind, vea a Eggs con dos Boxtrolls, Snatcher captura a Fish. Eggs se escabulle a la superficie para encontrar a Fish y emerge en una feria anual para conmemorar la desaparición del "Bebé Trubshaw" que supuestamente fue asesinado por los Boxtrolls.

Asqueado por la inexacta representación que el pueblo hace de las criaturas, Eggs sigue a Winnie. Tras un breve intercambio, le pide indicaciones para llegar al cuartel general de Snatcher, situado en una fábrica abandonada, donde Eggs rescata a Fish. Quedan atrapados en la huida. Snatcher reconoce a Eggs como el Bebé Trubshaw y le revela que todos los Boxtrolls capturados le están construyendo una máquina. Winnie, que ha seguido encubiertamente a Eggs, escucha este intercambio. Entonces ayuda a Fish y a Eggs a escapar de Snatcher y se refugian en las cuevas de los Boxtrolls, donde Fish les explica que el padre de Eggs se lo había dado para protegerlo de Snatcher. Winnie acepta ayudar a Eggs a contar la verdad a Portley-Rind.

En un baile celebrado para conmemorar la compra de una rueda de queso gigante llamada Briehemoth, que se hizo tontamente con los fondos para un hospital infantil, Eggs intenta enfrentarse a Portley-Rind, pero se encuentra con Snatcher (disfrazado de una mujer llamada "Madame Frou-Frou"). Mientras intenta evitar a Snatcher, Eggs tira sin querer la rueda de queso a un río. Eggs se anuncia ante la fiesta como el bebé Trubshaw, pero nadie le cree, ni siquiera Portley-Rind, que está demasiado afectado por haber perdido la rueda de queso.

Eggs intenta persuadir a los Boxtrolls restantes para que huyan por su propia seguridad, pero, sin saberlo, los desmoraliza. Snatcher excava en las cuevas y los captura a todos. Eggs se despierta y encuentra a su padre Herbert Trubshaw prisionero a su lado. Ve a los Boxtrolls apilados en una trituradora y les ruega que dejen sus cajas y huyan, pero parece que la trituradora los mata.

Snatcher conduce su máquina hasta la casa de Lord Portley-Rind, le muestra las cajas aplastadas como prueba de la extinción de los Boxtrolls y exige el sombrero blanco de Portley-Rind a cambio de matar al último Boxtroll, que en realidad es Eggs disfrazado. Los Boxtrolls, que han escapado de la trituradora, liberan a Eggs mientras Herbert se revela, haciendo que Portley-Rind y los ciudadanos se den cuenta de que Snatcher les ha mentido. Con su trama expuesta, Snatcher intenta tomar el sombrero de Portley-Rind por la fuerza; dos de sus secuaces, el Sr. Trout y el Sr. Pickles, se vuelven contra él y ayudan a los Boxtrolls a desactivar la máquina, que cae sobre la mano derecha de Snatcher, el Sr. Gristle, y lo aplasta hasta la muerte. Eggs y Snatcher salen despedidos y caen sobre el recuperado Briehemoth, lo que desencadena la alergia al queso de Snatcher y hace que se hinche hasta alcanzar un tamaño grotesco. Se apodera de Winnie y obliga a Lord Portley-Rind a renunciar a su sombrero a cambio de su seguridad, pero después de probar una muestra de queso curado, su alergia al queso finalmente se desencadena y estalla en pedazos, matándolo.

Con el complot de Snatcher frustrado, los habitantes del pueblo y los Boxtrolls acuerdan una convivencia pacífica entre ellos. Winnie cuenta la historia del fin de Snatcher a una multitud mientras Fish, Eggs y Herbert se alejan en uno de los artilugios de Herbert.