当艾伦·鲍尔（汤姆·汉克斯 Tom Hanks 饰）还是孩童时，曾在科德角的波涛中看见过传说中的美人鱼，这段经历在他的脑海中深深扎根。20年后，艾伦已成长为英俊的帅小伙，他终日奔波忙碌，真爱却始终未曾到来。某天，艾伦重返科德角，并且在此不慎落水。就在危急之时，一个美丽的美人鱼（达丽尔·汉纳 Daryl Hannah 饰）出现，拯救了他的性命。未过多久，美人鱼隐去鱼尾，来到纽约寻找艾伦，两人由此坠入爱河。一场现代的都市传奇爱情就此展开，但在这物欲横流的都市里，他们的爱情将何去何从…… 本片荣获1985年美国科幻与恐怖电影学院最佳女主角奖（Daryl Hannah）、1985年美国国家影评人协会最佳剧本奖。
1964年，八岁的艾伦鲍尔和他的家人正在科德角乘船游览。艾伦对表面以下的东西着迷并跳入水中。在大海中，他遇到了一名年轻女孩，并莫名其妙地发现自己能够在水下呼吸。然而艾伦被救并被拉回水面，两人失散。由于没有其他人看到这个女孩，艾伦开始相信这次遭遇是一种濒死幻觉。
1984 年，艾伦与他好色的哥哥弗雷迪 (Freddie)共同拥有纽约市一家水果和蔬菜批发公司。多年来，艾伦的人际关系一直失败，因为他潜意识地寻求与神秘女孩的联系。艾伦在最近一次分手后心情沮丧，回到科德角，在那里他在一次潜水探险中遇到了古怪的科学家沃尔特·科恩布鲁斯博士。当他的摩托艇发生故障时，艾伦掉入海中并失去知觉。他的钱包掉到了下面的珊瑚上。他在海滩上醒来，面前有一个美丽的裸体女人，她无法说话。吻完他后，她跳入海中，变成了美人鱼。当她在水下游泳时，科恩布鲁斯发现了她。
美人鱼找到了艾伦的钱包，并利用沉船的海图定位了纽约。她在自由女神像前赤裸上岸，并因不雅暴露而被捕。警方利用艾伦钱包中的信息联系了他，并将这名神秘女孩交由他照顾。她通过看电视学习如何说英语，并渴望探索这座城市。由于无法用人类语言说出自己的真实姓名，她选择了麦迪逊大道上的“麦迪逊”符号。她告诉艾伦，她将在纽约度过“充满乐趣的六天，直到满月”；如果她再呆下去，就无法回家了。尽管麦迪逊偶尔会有古怪的行为，但她和艾伦还是坠入爱河。艾伦向麦迪逊求婚，但她拒绝了并逃跑了。经过一番沉思，麦迪逊回到艾伦身边并同意嫁给他，并承诺在即将举行的欢迎总统的贵宾晚宴后告诉他关于自己的真相。
与此同时，科恩布鲁斯意识到自由岛上的裸体女人就是他遇到的美人鱼，于是追赶这对夫妇，试图通过向她泼水来暴露她是美人鱼。他的第一次尝试没有成功，科恩布鲁斯最终多处受伤。最后，他潜入了贵宾晚宴，用水管泼了麦迪逊，成功揭露了她的身份。麦迪逊被政府特工抓住，并被带到一个由科恩布鲁斯冷酷的竞争对手罗斯博士领导的秘密实验室接受检查。随着麦迪逊在囚禁中日渐衰弱，科恩布鲁斯得知科学家们正计划解剖她；让他对自己的行为感到后悔，因为他只是想证明自己没有疯，而不是造成实际的伤害。
艾伦对麦迪逊的秘密感到震惊并拒绝了她，但当他向他的兄弟表达自己的幻灭时，弗雷迪猛烈抨击了他，提醒艾伦他和她在一起是多么幸福。意识到自己仍然爱着麦迪逊，艾伦面对充满愧疚的科恩布鲁斯，尽管他发现了这一点，但仍被同事拒绝，艾伦同意帮助营救她。
艾伦、弗雷迪和科恩布鲁斯冒充瑞典科学家进入实验室，并将麦迪逊偷偷带出实验室。弗雷迪决定代替艾伦被捕，而科恩布鲁斯试图阻止美国军队抓捕这对夫妇，但没有成功。尽管遭到追捕，艾伦和麦迪逊还是到达了纽约港。麦迪逊告诉艾伦，只要和她在一起，他就可以在水下生存，这让艾伦意识到她就是他小时候在水下遇到的女孩。麦迪逊警告他，如果他住在海里，他就不能回到陆地。当部队逼近时，她跳入水中。当更多的部队试图逮捕艾伦时，他跟着她跳入水中，但由于不会游泳而开始被淹死。麦迪逊吻了他，赋予了他在水下游泳和呼吸的能力。蛙人入水夺回麦迪逊和艾伦，但这对夫妇击退了他们并逃脱了。艾伦扔掉了他的夹克，放弃了他在水面上的悲惨生活，这对夫妇愉快地游向了一个看似水下的王国。