患有短期健忘癥的多莉（艾倫·德杰尼勒斯配音）曾經擁有完整的家庭，但意外導致她與父母失散。在與小丑魚父子馬林（艾伯特·布魯克斯配音）和尼莫（海登·羅蘭斯配音）經歷冒險的平靜生活中，童年記憶碎片突然浮現，促使她踏上尋找父母的新旅程。多莉來到海洋生物博物館后，結識了不愿返回大海的章魚漢克（艾德·奧尼爾配音）和童年朋友鯨鯊運兒（凱特琳·奧爾森配音）。通過記憶中的線索，她發現父母用貝殼標記的路徑，并在漢克利用觸手操作人類設備的幫助下突破重重障礙。過程中多莉與馬林父子意外失散，但憑借對親情的執著信念，最終在運兒協助下穿越激流抵達父母棲息地。全片以多莉與雙親重逢、馬林父子團聚并重返大海的溫馨結局收尾，同時揭示漢克在最后關頭選擇陪伴新朋友留在海洋世界的關鍵抉擇。