La película inicia cuando Harry Potter (Daniel Radcliffe) empieza a ver en sus sueños al jardinero de los Riddle, Frank Bryce, quien escucha a Lord Voldemort conspirando junto con Peter Pettigrew (Timothy Spall) y otro joven en la habitación de una casa. Bryce es asesinado por Voldemort al asomarse. Más tarde, Harry y sus amigos visitan la Copa Mundial de Quidditch pero el torneo es interrumpido por Mortífagos que aterrorizan a los espectadores.
En Hogwarts, una prestigiosa contienda llamada Torneo de los Tres Magos se va a desarrollar y en ella participarán las tres escuelas de magia más famosas de Europa: Hogwarts, Beauxbatons y Durmstrang. En la noche en que los representantes de cada instituto son elegidos (todos estudiantes con al menos 17 años) por el cáliz de fuego, una mano misteriosa provoca que Harry, sólo con 14 años, sea elegido como el cuarto candidato. Pese a la reticencia de Minerva McGonagall (Maggie Smith), Albus Dumbledore (Michael Gambon) decide dejar que Harry participe mientras que la situación no se aclare. Sin embargo le pide al nuevo profesor de Defensa contra las Artes Oscuras, Alastor Moody (Brendan Gleeson), que vigile al joven mientras se desarrolla la contienda.
A excepción de Hermione (Emma Watson), nadie cree que Harry sea inocente, ni siquiera Ron (Rupert Grint), quien tiene un altercado con su amigo. Su padrino, Sirius Black (Gary Oldman) previene a Harry que el incidente con el cáliz no es casualidad y que podría estar relacionado con Igor Karkaroff, el director de Durmstrang que fue mortífago años atrás, o bien con Barty Crouch, un funcionario del Ministerio de Magia cuyo hijo fue enjuiciado por servir a Voldemort. Para empeorar las cosas, Harry descubre que la primera prueba del Torneo consiste en enfrentarse a un dragón para rescatar un huevo dorado. El chico decide contar lo que sabe al otro campeón de Hogwarts, Cedric Diggory (Robert Pattinson), para que quede advertido. Como Harry no encuentra forma posible de enfrentarse a la bestia, Moody lo ayuda a preparar una estrategia.
El día de la primera prueba Harry utiliza el encantamiento convocador y llama a su escoba, montándola para evadir el fuego del dragón. Pero la bestia se suelta y persigue al muchacho por todo el colegio hasta derribarlo. Cuando parece que todo está perdido, Harry emerge y captura el huevo dorado. Después de ver el peligro innecesario que corrió su amigo, Ron comprende que éste no se postuló para participar del Torneo y se reconcilian.
Cerca de Navidad, la profesora McGonagall anuncia que se hará un baile al cual deberán asistir los alumnos en pareja. Harry y Ron no logran conseguir a nadie, aunque el primero invita a Cho Chang, la chica que le gusta. Finalmente los dos asisten con Parvati (Shefali Chowdhury) y Padma Patil respectivamente, y descubren que Hermione tiene por pareja al búlgaro Viktor Krum (Stanislav Ianevski), el campeón de Durmstrang. Esto produce una fuerte discusión entre el muchacho pelirrojo y la chica, lo que da a entender que existen celos por parte de Ron hacia Hermione por no haber bailado con él.
La segunda prueba -según descubre Harry gracias a la pista del huevo dorado- tiene lugar en el Lago Negro. Cada campeón debe rescatar a una persona muy apreciada del fondo del lago antes de que se acabe el tiempo y los rehenes deban quedarse allí para siempre. El protagonista utiliza las branquialgas que le consigue Neville Longbottom (Matthew David Lewis) y llega hasta el lugar custodiado por las sirenas, pero Fleur Delacour (Clémence Poésy), la campeona de Beauxbatons, no aparece para rescatar a su hermana pues ha sido atacada en las profundidades. Harry salva a la niña y a Ron, lo que lo hace llegar último, aunque Dumbledore le otorga el segundo lugar por su valerosa acción.
En una caminata por el bosque junto con Hagrid (Robbie Coltrane), el trío encuentra el cadáver de Barty Crouch. El Ministro de Magia Cornelius Fudge (Robert Hardy) se niega a suspender el Torneo y tiene una disputa con Dumbledore. Harry, quien ha ido a hablar con el director sobre sus sueños se queda en el despacho del anciano mago y termina descubriendo el pensadero, un objeto mediante el cual se puede acceder a los recuerdos depositados por el director. Así, Harry descubre que tanto Severus Snape (Alan Rickman) como Igor Karkaroff fueron mortífagos 13 años atrás y que Barty Crouch Jr. (David Tennant) fue enjuiciado por lo mismo. Dumbledore, tras oír el recuento sobre las pesadillas con Voldemort, le pide que ignore tales ensoñaciones porque podrían ser peligrosas.
En la tercera prueba los cuatro campeones deben cruzar un laberinto encantado y llegar hasta la Copa de los Tres Magos para ganar la contienda. Sin embargo, el laberinto parece estar vivo y ataca a todos los participantes. Harry encuentra a Fleur Delacour inconsciente y pronto queda en medio de un duelo de varitas entre Cedric Diggory y Viktor Krum, que está bajo la influencia del maleficio Imperius. Harry y Cedric llegan hasta la copa y la tocan al mismo tiempo, pero el objeto resulta ser un traslador que los transporta hasta un cementerio.
Entre medio de las tumbas aparece Peter Pettigrew con Voldemort en sus brazos. Pettigrew asesina a Diggory con el maleficio Avada Kedavra, apresa a Harry y realiza un ritual de magia negra para reconstruir el cuerpo de su amo. Voldemort, con todos sus poderes completos convoca a sus seguidores –a quienes retruca su falta de lealtad- y tortura a Harry hasta comenzar un duelo con el chico. Pero las varitas de ambos se unen gracias a un efecto conocido como Priori Incantatem que hace surgir los espectros de las personas asesinadas con la varita del Señor Tenebroso. Entre estos están los padres de Harry y Cedric que hacen de escudo para que el muchacho tome el traslador, el cadáver de su compañero y huya hacia Hogwarts.
En medio de la muchedumbre, Harry aparece llorando con el cadáver de Cedric. Moody lo aleja del caos llevándolo a su despacho. Allí se revela que él puso el nombre de Harry en el cáliz de fuego, embrujó a Krum y modificó la copa para llevar al chico ante en Innombrable. Sólo con su sangre Voldemort sería capaz de vencer la protección que Lily Potter puso sobre su hijo al morir. Cuando Moody está a punto de matar al chico, Dumbledore, Snape y McGonagall aparecen y desarman al hechicero que resulta ser Barty Crouch Jr, sólo que con el cuerpo de Moody gracias a la Poción Multijugos.
Dumbledore convoca a los alumnos y al personal para aclarar las circunstancias de la muerte de Cedric y manifiesta la oposición del Ministerio de Magia a admitir que Voldemort ha vuelto. El director aclara a Harry que ahora se encuentra ante un peligro mayor pero que él no está solo para combatirlo.
En la última escena, los extranjeros se retiran aplaudidos por la gente de Hogwarts mientras que Harry, Hermione y Ron permanecen algo apartados. Preocupada, Hermione pregunta si todo cambiará. Harry le responde que sí puesto que sabe que ahora su némesis ha regresado más poderoso que nunca.
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