患有短期健忘症的多莉（艾伦·德杰尼勒斯EllenDeGeneres配音）曾经也拥有美好的家庭，然而一连串的意外让她与和蔼可亲的父母失散。此去经年，多莉邂逅了小丑鱼父子马林（艾伯特·布鲁克斯AlbertBrooks配音）和尼莫（海登·罗兰斯HaydenRolence配音），与他们经历了前所未有的大冒险。平静的日子里，童年时期的片段记忆突然闯入多莉的脑海，于是她再度踏上寻找父母的旅程。这一次，她来到了海洋生物博物馆，遇到了不打算回到大海的章鱼汉克（艾德·奥尼尔EdO’Neill配音）以及童年时的朋友鲸鲨运儿（凯特琳·奥尔森KaitlinOlson配音）。循着记忆中的蛛丝马迹，她离父母越来越近。然而在这一过程中，她又和马林父子失散了。对友情、亲情的执着，让这群小家伙无论千难万险也要坚持到底……
多莉，一只高贵的蓝唐人，小时候与她的父母珍妮和查理失散。随着她长大，多莉试图寻找它们，但由于她的短期记忆丧失而逐渐忘记了它们。后来，她和小丑鱼马林鱼一起寻找尼莫。[b]
遇见马林和尼莫一年后，多莉和他们一起住在珊瑚礁里。有一天，多莉的脑海中闪现出她的父母。她决定寻找他们，但她的记忆问题成为了障碍。当尼莫提到这个名字时，她突然想起他们住在大洋彼岸的 “加州莫罗湾的明珠”。
马林和尼莫陪伴多莉踏上旅程。在海龟朋友Crush 的帮助下，他们乘着加州洋流来到了加利福尼亚州。抵达后，他们探索了一艘装满丢失货物的沉船，多莉意外唤醒了一只巨大的洪堡乌贼，它追赶着他们，差点吞掉尼莫。他们设法捕获了鱿鱼，马林因多莉危及它们而惩罚多莉。多莉前往水面寻求帮助，但被海洋生物研究所的工作人员抓住。
多莉被隔离并贴上标签。在那里，她遇到了一只粗鲁但友善的七足章鱼，名叫汉克。多莉的标签标志着她将被转移到俄亥俄州克利夫兰的一家水族馆。汉克担心被放回大海，同意帮助多莉找到她的父母，以换取她的标签。在一次展览中，多莉遇到了她儿时的朋友命运，一条近视的 鲸鲨，它过去通过管道与多莉交流，还有贝利，一只白鲸，错误地认为自己已经失去了回声定位的能力。随后，多莉回忆起与父母一起的生活，并努力回忆起细节。她终于记起了自己是如何与父母分离的：一天晚上，她无意中听到母亲在哭泣，她离开去取一个贝壳让她高兴起来，结果被一股暗流卷进了大海。
马林和尼莫试图营救多莉。在两只懒惰的加州海狮Fluke 和 Rudder 以及一只普通潜鸟的帮助下他们设法进入研究所并在管道系统中找到了她，名叫贝基。其他蓝唐人告诉他们，多莉的父母很久以前从研究所逃出来寻找她，再也没有回来，让多莉相信他们已经死了。汉克从水箱中救出了多莉，不小心留下了马林和尼莫。然后他被一名员工逮捕，并无意中将多莉扔进下水道，将她冲进大海。当她漫无目的地闲逛时，她发现了一串贝壳；记得小时候，她的父母曾为她找到回家的路，也曾开辟过一条类似的小路，她就沿着这条路走下去。在小路的尽头，多莉发现了一个空的脑珊瑚有多个贝壳路径通向它。当她转身准备离开时，她的父母来了。他们告诉她，他们花了数年时间为她铺设线索，希望她最终能找到它们。
马林、尼莫和汉克最终乘坐卡车将各种水生生物带到了克利夫兰。命运和贝利逃离展览，帮助多莉营救他们。登上卡车后，多莉说服汉克和她一起返回大海，他们一起劫持卡车并在繁忙的高速公路上行驶，造成严重破坏，然后将其撞入海中，释放了所有的鱼。多莉、她的父母和新朋友以及马林和尼莫回到了珊瑚礁。汉克开始适应海洋中快乐的生活方式，并成为尼莫学校的老师。
在片尾彩蛋的场景中，坦克帮（来自《海底总动员》）仍然被困在塑料袋里，漂流了一年横跨太平洋，到达了加利福尼亚州。令他们沮丧的是，海洋生物研究所的工作人员接走了他们。与此同时，福禄克和鲁德的敌人杰拉尔德试图潜入他们的岩石。