患有短期健忘症的多莉（艾伦·德杰尼勒斯 Ellen DeGeneres 配音）从前也具有美好的家庭，但是一连串的意外让她与和蔼可亲的爸爸妈妈分开。此去经年，多莉邂逅了小丑鱼父子马林（艾伯特·布鲁克斯 Albert Brooks 配音）和尼莫（海登·罗兰斯 Hayden Rolence 配音），与他们经历了史无前例的大冒险。安静的日子里，童年时期的片段回忆忽然闯入多莉的脑际，于是她再度踏上寻觅爸爸妈妈的旅程。这一次，她来到了海洋生物博物馆，遇到了不计划回到大海的章鱼汉克（艾德·奥尼尔 Ed O'Neill 配音）以及童年时的朋友鲸鲨运儿（凯特琳·奥尔森 Kaitlin Olson 配音）。循着回忆中的蛛丝马迹，她离爸爸妈妈越来越近。但是在这一过程中，她又和马林父子分开了。