Trong ngôi làng nhỏ Lá Phong, mọi thứ đều mang một màu xám tẻ nhạt cho đến ngày cô bé 10 tuổi Mai tình cờ phát hiện cánh cổng kỳ lạ sau vườn nhà. Đó là khung cửa gỗ cũ kỹ phủ đầy dây leo, nhưng khi ánh nắng chiều xiên qua khe hở, nó bỗng lấp lánh đủ sắc cầu vồng.
Mai cầm theo hộp bút chì màu mẹ tặng sinh nhật, bước vào thế giới bên kia. Cô bé ngỡ ngàng khi thấy dòng sông chảy êm đềm với nước màu ngọc bích, những cánh bướm đom đóm vẽ nét sáng lóa trên không trung. Tại thung lũng Họa Sĩ, các sinh vật màu sắc tung tăng: chú thỏ vẽ cỏ bằng đuôi cọ lông, đàn chim sẻ dùng mỏ khắc hoa văn lên đá cuội.
Bỗng tiếng nức nở vang lên từ gốc cây cổ thụ. Chú rồng con Tí Xíu đang co quắp với bộ vảy úa màu. "Cầu vồng thất lạc rồi!" - Tí Xíu thổn thức. Bảy viên pha lê giữ sắc màu thế giới đã bị quạ đen lẻn đánh cắp. Mai quyết định giúp đỡ, dùng bút chì tạo đường ray ánh sáng đưa đoàn tàu chuồn chuồn đi tìm manh mối.
Trên đầm Lá Sen, cô bé phát hiện viên pha lê đỏ bị kẹt trong tổ kén bóng tối. Bằng ý tưởng táo bạo, Mai vẽ chiếc gương phản quang từ vỏ ốc biển, dội lại ánh sáng mặt trời làm tan biến bóng đêm. Từng viên ngọc lần lượt được giải cứu nhờ những phát kiến kỳ diệu: dùng cầu trượt mây đưa ngọc xanh dương về đỉnh núi, tạo cối xay gió từ lá bàng thu hồi ngócạc...
Đêm cuối cùng, khi bảy viên pha lê hội tụ, Mai ngân nga bài hát mẹ dạy lúc nhỏ. Điệu nhạc hòa cùng những nét vẽ nguệch ngoạc của cô bé đã thổi linh hồn vào cầu vồng mới - một dải sáng uốn lượn hình trái tim, điểm xuyết họa tiết ngôi sao và nụ cười trẻ thơ. Thế giới sắc màu rạng rỡ trở lại, và từ đó mỗi khi Mai sáng tạo điều mới lạ, cánh cổng lại thì thầm những giai điệu cổ tích.
