患有短期健忘症的多莉(艾伦·德杰尼勒斯暂无内容Ellen暂无内容DeGeneres暂无内容配音)曾经也拥有美好的家庭,然而一连串的意外让她与和蔼可亲的父母失散。此去经年,多莉邂逅了小丑鱼父子马林(艾伯特·布鲁克斯暂无内容Albert暂无内容Brooks暂无内容配音)和尼莫(海登·罗兰斯暂无内容Hayden暂无内容Rolence暂无内容配音),与他们经历了前所未有的大冒险。平静的日子里,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·奥尼尔暂无内容Ed暂无内容O\'Neill暂无内容配音)以及童年时的朋友鲸鲨运儿(凯特琳·奥尔森暂无内容Kaitlin暂无内容Olson暂无内容配音)。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。