患有短期忘记症的多莉（艾伦·德杰尼勒斯 Ellen DeGeneres 配音）已经也拥有美好的家庭，然而连续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），与他们经历了史无前例的大冒险。安静的日子里，童年时期的片段记忆突然闯入多莉的脑海，因而她再度踏上寻觅父母的路程。这一次，她来到了陆地生物博物馆，遇到了不筹算回到大海的章鱼汉克（艾德·奥尼尔 Ed O'Neill 配音）以及童年时的同伙鲸鲨运儿（凯特琳·奥尔森 Kaitlin Olson 配音）。循着记忆中的千丝万缕，她离父母越来越近。然而在这一过程当中，她又和马林父子失散了。
对友情、亲情的执着，让这群小家伙不管千难万险也要贯彻始终……
