Брати Юнатан і Карл Лев живуть разом з мамою в маленькому шведському містечку в бідній квартирці на третьому поверсі дерев'яного будинку. Брати дуже різні. Старший, тринадцятирічний Юнатан, красивий, спритний, талановитий хлопчик, його люблять діти, для яких він придумує різні ігри та пригоди, а дорослі не втомлюються ним захоплюватися. Молодший, десятирічний Карл (або Хрущик, як називає його брат), негарна, боязка, сором'язлива, слабка дитина, він смертельно хворий на туберкульоз і прикутий до ліжка. Але, незважаючи на велику різницю, брати дуже прив'язані один до одного.
Коли Карл випадково дізнається, що скоро помре, Юнатан розповідає йому про далеку країну Нангіялу, в яку люди потрапляють після смерті. У цій чарівній країні, де «доба багать і казок», а пригоди трапляються «з ранку до вечора і навіть уночі», Карл буде абсолютно здоровий і зможе робити все, що захоче. Братів засмучує лише довга розлука. Але трапляється по-іншому: Юнатан гине, рятуючи Карла з пожежі. Він вистрибує з вікна палаючого будинку, тримаючи брата на спині і затуливши його від удару при падінні. Шкільна вчителька, захоплена вчинком Юнатана, називає його Лев*ячим Серцем.
Карл дуже сумує: Нангіяла здається йому лише вигадкою, а думка про вічну розлуку з братом нестерпна. Але Юнатан знову знаходить спосіб втішити Хрущика - він прилітає до нього білим голубом і обіцяє швидку зустріч у Нангіялі. Так і трапляється, коли Карл через кілька місяців помирає, залишивши матері втішну записку: «Не плачте, мамо! Зустрінемося в Нангіялі ».
Однак в казковій Нангіялі, в яку так хотів потрапити Карл, настав «час страшних казок». Тенгіл, правитель Карманьяки, країни на Горі Стародавніх Гор за Рікою Стародавніх Рік, захопив одну з двох долин Нангіяли - Шипшинову - і за допомогою драконихи Катли тримає її жителів у рабстві. Мужні повстанці під командуванням Урвара чинять опір владі Тенгіла, їм допомагають жителі вільної Вишневої Долини під керівництвом мудрої «королеви голубів» Софії, помічником якої стає Юнатан. Але в Вишневій Долині з'являється зрадник, він відкриває ворогові ім'я лідера повстанців, і Урвара кидають у печеру Катли. Юнатан Лев*яче Серце відправляється у Шипшинову Долину, щоб спробувати його врятувати. Не витримавши нової розлуки з братом і наляканий сном, де той кличе його на допомогу, Карл теж пробирається в Шипшинову Долину. Дід Матіас, друг Софії та Урвара, ховає обох хлопчиків від солдатів Тенгіла.
У Шипшиновій Долині - голод, насилля і страх, і хоч жителі готові до повстання, їм не вистачає ватажка. Юнатан і Карл вибираються з Долини крізь підкоп під муром і вирушають до Карманьяки. В останню мить вони встигають визволити засудженого до смерті Урвара з печери Катли. Карл вчиться бути відважним і рішучим, як Юнатан і Урвар: ризикуючи собою, він допомагає супутникам сховатися від погоні, а після цього рятує Софію з пастки, в яку її намагається заманити зрадник Йоссі.
Врятовані Урвар, Софія та Юнатан очолюють повстання жителів Долини, але повстанці не встигають закрити ворота міста перш, ніж з'являється Тенгіл зі своєю драконихою Катлою. Здається, що всі загинуть, але у вирішальний момент битви Тенгіл впускає ріг, звуку якого підкорювалася дракониха, і Юнатану вдається його перехопити. Тенгіл і його армія гинуть від вогню з пащі чудовиська.
Усі в Шипшиновій Долині сумують за загиблими і радіють волі. Але Юнатан має виконати ще одну небезпечну справу - він повинен відвести слухняну лише йому дракониху в Карманьяку і прикувати її там до скелі. Карл відправляється разом з ним. Все йде добре, але коли брати перетинають підвісний міст над водоспадом Карма, коні лякаються рику Катли і пускаються в галоп, від несподіванки Юнатан упускає ріг і дракониха нападає на хлопчиків. Захищаючи брата, Юнатан зіштовхує на Катлу величезний валун і та падає у водоспад, в якому живе жахливий змій Карм, її заклятий ворог. Карм і Катла вбивають один одного. Опалені вогнем Катли, вмирають улюблені коні хлопчиків - Грім та Ф*ялар. Юнатан, зачеплений полум'ям, паралізований. Він зможе знову рухатися лише в Нангілімі, казковій країні, куди потрапляють загиблі в Нангіялі. Карл вирішує допомогти своєму старшому братові: піднявши його на спину, він сміливо кидається у водоспад. Повість закінчується радісним вигуком Карла Лев*яче Серце: «Я бачу світло! Юнатане, я бачу світло!»