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，然而一連串的意外讓她與和藹可親的父母失散。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)，與他們經歷了前所未有的大冒險。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 ONeill 配音)以及童年時的朋友鯨鯊運兒(凱特琳·奧爾森 Kaitlin Olson 配音)。循著記憶中的蛛絲馬跡，她離父母越來越近。然而在這一過程中，她又和馬林父子失散了。