在遥远的地方，有一个丑人国，这个国家非常富有，到处都是黄金和宝石，人民团结友爱，过得很幸福。但国民全都奇丑无比，国王、皇后和大臣也不例外。
因此，他们在国际交往中常常受到歧视，比如派往各国的大使，不能参加该国的宴席、庆典等，选美活动更没有他们的份儿。国王对种种不平等待遇十分气愤，为了提高国家的地位和尊严，尽快改变国民的容貌，立即召集大臣商讨办法，可是都一言不发。这实在是个难题。冷场好久，最后外交大臣提出建议：征召天下高人，也许能有绝招，国王同意了，下旨贴出皇榜：有能改变国民容貌者，赏赐宝石千颗，黄金万两，并封为一品官职。
一时间全国轰动，几个揭榜者自称有妙法，也不过是美容术、美容药之类，然而皆无明显效果。国王依旧愁眉不展，寝食不安。
一天，一位小姐揭了皇榜来见国王。国王见了她顿时目瞪口呆，愣在那里，原来这女子美貌无比，世所罕见。好半天国王才醒过神来，问她有什么美容之术。小姐说：“我叫美无伦，从外国赶来，特为陛下分忧。”国王一听喜出望外。
只见她从包里取出一面八角玲珑的小镜子，说：“这叫八角美容镜，只要用它照上五分钟，可以转变人的基因，不论多丑的人，立即变得俊美无比。”
国王半信半疑地接过镜子，看了又看，几分钟过去，再往镜里一瞧，竟然有个无比俊美的国王，惊问道：“这镜里是谁呀？”小姐大笑起来：“陛下，难道连你自己也不认识了？”国王又叫来大臣证实，他才真正相信了。立即如数赏给美无伦宝石和黄金，并封她为美容大臣，住进了豪华的宫殿。
国王先让自己一家人先照镜子，然后是王宫的人和大臣们。接着就下令全国人分批前来照镜子。不久就出现了麻烦，那些照过镜子的人什么工作也不愿干了，整天修饰打扮，甚至发展到亲友反目，夫妻离异，暗杀、抢劫频繁，社会混乱。如此下去将有亡国的危险。
国王马上下一道命令，立即停止照镜。但没照过的人仍络绎不绝地涌向京城，向国王提出抗议，还声言要抢走美无伦。
国王连夜召开紧急会议，商讨对策。德育大臣说：“光让人的外貌美是不行的，必须有心灵美，品德高尚，诚实谦让，这样国家才能安定太平。”但这可不是短期内就能办到的。美无伦说：“我看还是让全国人照完镜子再说吧，京城涌来这么多人，会闹出大乱子的……”
这时，科技大臣摇着大脑袋说：“我的朋友——大发明家克尔利，多年来苦心研究一种让人心灵变美的药，听说最近已获得成功……”
国王顿时变忧为喜，决定明天召见克尔利。突然卫兵报告：克尔利求见。接着就走进一个丑陋矮小的人，他发现大臣中的美女，断定她就是美无伦，便对国王说：“尊敬的陛下，请允许我先向美无伦小姐敬一杯酒，她为改变我国人民的容貌作出巨大贡献，今后我们将共同合作，让国民外貌和心灵同美丽。”说罢倒了一杯酒，双手递给她。美无伦不得不接，说声“谢谢”，便呷了一口。酒刚下肚，她马上离开座位来到国王面前，“扑通”跪下：“我是个间谍，我欺骗了国王，求陛下恕罪！”国王和大臣们一时被弄得莫名其妙，惊诧万分。
美无伦说出了事情的原委，原来她也是丑人国的人，她恨自己太丑，总想变美，听说外国科技发达，整容术高超，就偷渡到了贪婪国，被该国边界巡防人员捉住。
贪婪国十分贫穷，早就对丑人国的财富垂涎欲滴，就让一位大师级的整容师给她整了容，训练成一命高级间谍，并让她带着国宝——美容镜，返回本国，企图搞乱国家，贪婪国乘机出兵侵占，劫掠这里的全部宝石和黄金。
大家明白了真相，但不知她为什么会坦露他们的阴谋。原来克尔利倒酒时，就偷偷放进一小粒他研制的“心灵美”药丸，人吃下后立即变得高尚诚实，做的什么坏事都会全盘托出，大家这才恍然大悟。
国王很快把这特大新闻向全国公布，激起了人民的爱国热情，军民协力，打退了侵略者的军队。国王又让克尔利赶制“心美灵”药，发到国民手中。又让美无伦继续给那些没照过镜子的人改变容貌。
从此，这个丑人国成了心灵美、容貌美的“双美国”。克尔利又开始了新的研究，美无伦爱上了他克尔利，不久就嫁给了他。美无伦成了老公的得力助手，搞出了更多的新发明，共同为人类造福。