患有短期健忘症的多莉(艾伦·德杰尼勒斯 Ellen DeGeneres 配音)曾经也拥有美好的家庭,然而一连串的不测让她与蔼然可亲的父母失散。此去经年,多莉邂逅了小丑鱼父子马林(艾伯特·布鲁克斯 Albert Brooks 配音)和尼莫(海登·罗兰斯 Hayden Rolence 配音),与他们经历了前所未有的大冒险。安静的日子里,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 Ed O'Neill 配音)以及童年时的伴侣鲸鲨运儿(凯特琳·奥尔森 Kaitlin Olson 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……