患有短期健忘癥的多莉（艾倫·德杰尼勒斯 Ellen DeGeneres 配音）曾經也擁有美好的家庭，然而連續串的意外讓她與藹然可親的父母失散。此去經年，多莉邂逅了小丑魚父子馬林（艾伯特·布魯克斯 Albert Brooks 配音）和尼莫（海登·羅蘭斯 Hayden Rolence 配音），與他們經歷了史無前例的大冒險。平靜的日子里，童年時期的片段記憶突然闖入多莉的腦海，于是她再度踏上尋找父母的旅程。這一次，她來到了海洋生物博物館，遇到了不打算回到大海的章魚漢克（艾德·奧尼爾 Ed O'Neill 配音）以及童年時的朋友鯨鯊運兒（凱特琳·奧爾森 Kaitlin Olson 配音）。循著記憶中的千絲萬縷，她離父母越來越近。然而在這一過程當中，她又和馬林父子失散了。對友情、親情的執著，讓這群小家伙無論千難萬險也要貫徹始終……