Después de una secuencia de apertura basada en «2001: Una odisea del espacio» de Stanley Kubrick, la narradora (Helen Mirren) y los estilos musicales de Lizzo nos guían a través del día en la vida de la Barbie estereotipada (Margot Robbie), donde «es el mejor día de todos y también lo fue ayer, y también lo será mañana, y todos los días desde ahora hasta siempre». Las Barbies ocupan todos los puestos de poder en Barbieland, y los Ken existen para impresionarlas. La Barbie estereotipada organiza una gran fiesta para todos en Barbieland, pero está plagada de pensamientos incontenibles sobre la muerte. Ella piensa que es una casualidad, pero al día siguiente se despierta y descubre celulitis en sus muslos y que sus pies puntiagudos se han caído. La envían a visitar a Weird Barbie ( Kate McKinnon ) para pedirle consejo, quien le indica que visite el mundo real y descubra qué está pasando con el ser humano que juega con ella.
Esto envía a Barbie al viaje de su vida, junto con Ken (Ryan Gosling), quien se escondió para unirse a ella. El dúo experimenta un choque cultural masivo una vez que aterrizan en Los Ángeles y se enteran de que el mundo real es increíblemente hostil hacia las mujeres. Además, debido al patriarcado, los hombres tienen el control. Barbie finalmente rastrea a Gloria (America Ferrera) y a su hija Sasha (Ariana Greenblatt), las dueñas de su muñeca en la vida real, y está devastada al saber que muchas mujeres en realidad desprecian a Barbie, e incluso la culpan por muchos de los problemas que enfrentan las mujeres. A medida que Barbie se ve envuelta en una crisis existencial, Ken se siente envalentonado por esta nueva realidad en la que los hombres gobiernan el mundo y regresa corriendo a Barbielandia para informar a los Ken.
Barbie tarda un poco más en experimentar el mundo real, pero cuando los ejecutivos de Mattel se enteran de que una Barbie corre por Los Ángeles, envían un equipo para secuestrarla y llevarla a la sede de Mattel con la esperanza de volver a ponerla en la caja y enviarla de regreso a Barbieland para siempre. Casi lo logran también, hasta que Barbie entra en pánico por volver a la caja y sale corriendo, provocando que todo Mattel intente atraparla mientras intenta escapar del edificio. Barbie se esconde en una habitación detrás de una puerta abierta y descubre que una mujer mayor está sentada en una cocina con una taza de té. Se presenta como Ruth y le da a Barbie algunas palabras de consuelo antes de enviarla de regreso fuera de Mattel y al auto de Gloria.