『窓ぎわのトットちゃん』の物語は、小学1年生にして授業中に机のフタを何度も開け閉めしたり、窓辺に立ってチンドン屋を呼び止めたりする行動から、公立小学校を「退学（実質的な就学拒絶）」になった衝撃的なプロローグから幕を開けます。困り果てた母・黒柳朝（ちょう）さんが連れて行った先が、東京・自由が丘にあった私立の小学校「トモエ学園」でした。
廃車となった本物の電車を教室として再利用したユニークな環境で、校長を務める小林宗作（こばやし そうさく）先生は、初対面のトットちゃんの話を4時間もの間、一切遮らずにじっくりと聞き続けました。これまで周囲の大人の都合やルールに押し込められ「落ち着きのない困った子」と見なされていたトットちゃんにとって、生まれて初めて「自分を全肯定して受け入れてくれた大人」との運命的な出会いとなった瞬間です。
トモエ学園の教育は当時としては極めて前衛的でした。好きな科目から自発的に学んでよい時間割、「海のものと山のお弁当」を持参する食育、全裸で泳ぐプールでの身体へのコンプレックス解消など、子どもの天性を解放する独自のプログラムが組まれていました。その中でトットちゃんは、小児麻痺の後遺症で手足が不自由な男の子・泰明（やすあき）ちゃんと深い友情を育みます。
物語のハイライトの一つが、トットちゃんが泰明ちゃんを自分の木に招くエピソードです。木登りができない泰明ちゃんのために、脚立を運び、危険を冒しながらも全力を尽くして木の上に引き上げ、2人だけの世界で見た景色の輝きは、児童文学史に残る名場面として語り継がれています。
しかし、物語の結末には過酷な歴史の現実が待ち受けています。やがて病弱だった泰明ちゃんは幼くして病死。突然の死に直面したトットちゃんは深い喪失感を経験します。さらに太平洋戦争の戦況が悪化し、1945年、東京大空襲の焼夷弾によってトモエ学園の電車校舎は炎に包まれ、全焼してしまいます。
燃え盛る学園を見つめながら、小林校長は息子の巴（ともえ）氏に向かって「おい、今度は、どんな学校を作ろうか」と語りかけました。教育への情熱を決して失わない校長の背中と、疎開列車に揺られて青森へと向かうトットちゃんの別れをもって、物語は深い余韻とともに結末を迎えます。
