걱정이 많은 물고기 말린과 단기 기억 상실증이 있는 물고기 도리는 일 년 전 말린의 아들 니모를 찾는 모험을 함께하면서 돈독한 우정을 쌓게 됩니다. 이 위험천만한 모험을 마친 후 세 물고기가 평화롭게 살던 어느 날, 도리는 갑자기 자신에게 부모님이 있다는 사실을 기억해 냅니다. 자신의 가족을 찾아 떠나려는 도리를 혼자 보낼 수 없는 말린과 니모는 그녀와 함께 다시 한 번 바다를 가로지르는 모험을 떠납니다.

그런데 도리가 그만 인간들에게 잡혀 지느러미에 꼬리표가 붙은 채 바다 생물 연구소에 갇히고 맙니다. 그 낯선 환경에서 도리는 다리가 7개인 문어 행크를 만나게 됩니다. 자신을 부모님에게 데려다 주면 행크에게 꼬리표를 주기로 약속한 도리는 연구소 안에서 그녀만의 모험을 시작합니다. 한편 바다에 남겨진 말린과 니모는 정신없이 도리를 걱정하며 어떻게든 연구소 안으로 들어가려고 안간힘을 씁니다. 도리는 오래전에 헤어진 부모님과 재회하고 자신의 과거에 대해 알아낼 수 있을까요? 그리고 말린과 니모는 잃어버린 도리를 다시 찾을 수 있을까요?