Comienza con una adolescente llamada Sofía Amundsen que recibe extrañas cartas de un remitente desconocido. El remitente envía las postales y cartas a una chica llamada Hilde, y Sofía se pregunta por qué es ella quien las recibe. En las cartas, el escritor reflexiona sobre cuestiones filosóficas que preguntan sobre la creación, la vida y la muerte. Ella descubre que esas postales provienen de un hombre llamado Alberto que no deja de explicarle teorías existenciales sobre el universo.
Alberto no deja de enseñarle diferentes filosofías occidentales, empezando por la religión y los filósofos naturales. Profundiza en los logros de los filósofos griegos, como Aristóteles, Sócrates y Platón, que formaron explicaciones naturales del universo. Sofía aprende sobre la filosofía griega, por ejemplo, las enseñanzas de Aristóteles que destacan la importancia de estudiar nuestro mundo físico. Además, aborda a los filósofos que siguieron a los antiguos filósofos, readaptando sus ideas y teorías. Procede a conocer los antiguos mitos que definían la realidad de los pueblos antes de la aparición de la filosofía natural. En consecuencia, Alberto le informa sobre el filósofo griego Demócrito, que formuló la teoría atómica del universo.
Cuando Sofía rastrea el lugar donde vive Alberto siguiendo al perro, encuentra una cabaña que contiene cuadros y un espejo. Se lleva el espejo a casa y empieza a encontrar objetos como joyas y trozos de tela que no le pertenecen. Sofía sigue investigando los extraños sucesos y descubre que se trata de los personajes de una historia escrita por Albert Knag. Knag es el padre de Hilde, que envía a su hija las historias que ha escrito sobre Sofía y Alberto. Ellos creen que están bajo el control de Knag porque él dicta cómo va y termina la historia. Por ello, Alberto procede a enseñar a Sofía más sobre filosofía para que pueda evitar su control.
Mientras tanto, Hilde está a punto de celebrar su 15º cumpleaños y su padre le envía el cuento llamado El mundo de Sofía. Al comenzar a leer el libro descubre, al igual que Sofía, que el mundo y los personajes son reales y no solo imaginaciones. Alberto también está formando un plan con Sofía para escapar del mundo que Knag ha creado a través de su imaginación. Les dice a los demás personajes que su mundo no es real, pero estos se enfadan y le critican por sus peligrosos valores. Alberto y Sofía consiguen escapar del mundo ficticio al real durante un accidente de tráfico en el jardín. Hilde intenta ayudar a los dos personajes a vengarse de su padre, que volverá a casa esa noche. Aunque las personas reales no pueden ver a Alberto y Sofía, sus efectos pueden sentirse si se esfuerzan lo suficiente.
Mientras Knag enseña a su hija la teoría del Big Bang, Sofía también aprende algo nuevo e intenta comunicarse hablando y golpeando. Hilde siente el efecto del golpe y susurra mientras Sofía y Alberto intentan manipular otros objetos físicos. Proceden a dar un paseo en barco por el lago mientras Hilde se reencuentra con su padre y aprende más sobre filosofía.
