在澳洲大堡礁的深海中，小丑鱼爸爸玛林和儿子尼莫简单幸福的生活着，可是爸爸做事常常畏首畏尾，是个胆小鬼，尼莫觉得爸爸很不勇敢，甚至有点看不起自己的爸爸。小尼莫却总是天不怕地不怕，跟同伴们去水面玩耍的时候，竟然被渔网捞了起来，辗转被卖到一家牙医诊所。

患有短期健忘症的多莉（艾伦·德杰尼勒斯ElleDeGeeres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HaydeRolece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

在澳洲大堡礁温暖的海水里，小丑鱼玛林和儿子尼莫生活在安逸而隐蔽的海底，一天，一直向往到海洋中冒险的尼莫，游出了他们所居住的珊瑚礁。却被渔夫捞走并卖到了悉尼当了人类的玩物。 为了救回心爱的孩子，本来胆小怕事的玛林决心跟上澳洲洋流，踏上寻找自己儿子的漫漫征程。一路上玛林遇到了很多形形色色的朋友，也遭遇了各式各样的危机。最终救回了自己的儿子。

大家最喜爱的、健忘的多莉回来了！这次她将与好朋友尼莫与马林一起，寻找她的神秘过去和她遗失的家庭。她能记起来什么？她的父母是谁？还有，她是从哪儿学会了说鲸语？多莉与马林、尼莫一起开启了这场改变“鱼”生的大冒险，穿越大洋至加州著名的海洋生物研究所。 在这里，多莉获得了三位有趣居民的鼎力支持：一只脾气暴躁、经常让研究所雇员找得团团转的章鱼汉克；一头坚信自己的生物声呐技能出问题了的白鲸贝利；以及一头严重近视眼的鲸鲨运儿。当多莉和朋友们在研究所错综复杂的内部水道中辗转前行时，她也逐渐对友谊、亲情和家庭的奥义有了更深

在澳洲大堡礁的深海中，小丑鱼爸爸玛林和儿子尼莫简单幸福的生活着，可是爸爸做事常常畏首畏尾，是个胆小鬼，尼莫觉得爸爸很不勇敢，甚至有点看不起自己的爸爸。小尼莫却天不怕地不怕，跟同伴们去水面玩耍的时候，竟然被渔网捞了起来，辗转被卖到一家牙医诊所。玛林对儿子的生死未卜感到十分的担忧，就算平时不能大胆行事，为了儿子也要勇敢豁出去了。可是在路上遇到了很多艰难与恐惧，令他十分胆怯。幸好他遇到了好心的多瑞，一路与他作伴。父子俩都遇到了很多热心的帮助，最终都能重逢，玛林也从此成为儿子以及大家心中的英雄。