患有短期健忘症的多莉【艾伦·德杰尼勒斯 Ellen DeGeneres 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并在深夜掉进了湖里。月亮把她最深情的眼睛投射在太湖，身上，就像一个深刻的寓言和一首含蓄的船歌。今晚的月亮像一个钩子，在平静的太湖湖上荡漾此去经年，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 Ed O'Neill 配音】以及童年时的朋友鲸鲨运儿【凯特琳·奥尔森 Kaitlin Olson 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。 对友情、亲情的执着，让这群小家伙无论千难万险也要坚持到底……