尼莫的右鰭因在卵子時期中遭受攻擊而變得較小，對其游泳能力造成影響。馬林對兒子的過度保護使尼莫在上學首天感到不滿，賭氣游出了珊瑚礁並被一位潛水員捕捉帶走，該潛水員與同伴乘船離開時意外把其蛙鏡撞進了海中。
馬林在追趕路上先後遇上了樂觀卻患有短暫性失憶症的擬刺尾鯛多莉（Dory），以及三條希望吃素的鯊魚：布魯斯（Bruce）、安安（Anchor）以及小沈（Chum）。馬林與多莉被帶至其居住地，找到了該潛水員寫有住址的蛙鏡。多莉其後成功念出了蛙鏡上寫的字，得知潛水員居於澳洲雪梨。馬林和多莉獲一群銀鱗鯧指示方向，得悉前往雪梨的最快方法是搭乘東澳洋流，路上牠們因穿過一群水母而被擊昏，醒來後發現被一群正在搭乘東澳洋流的綠蠵龜所救。馬林把其故事告訴了海龜，經過口耳相傳傳到了雪梨港上的鵜鶘祖哥（Nigel）。
捕獲了尼莫的潛水員乃雪梨港牙醫希爾曼（Phillip Sherman），尼莫被放進其診所內的魚缸中。缸中魚群包括六斑二齒魨豚豚（Bloat）、黃高鰭刺尾魚泡泡（Bubbles）、赭色海星小桃（Peach）、皇家絲鱸膽小鬼（Gurgle）、黑尾宅泥魚漂漂（Deb）、清潔蝦蝦蝦（Jacques）、以及同樣來自大海、一方魚鰭受損的鐮魚吉哥（Gill）。眾魚獲悉牙醫將會把尼莫贈予其姪女妲拉（Darla），她是一位喜歡甩動裝魚袋子、曾使一尾魚因而死亡的女孩。吉哥構想了逃離魚缸的計畫：尼莫鑽進濾水器，以小石子妨礙濾水器運作，逼使牙醫把魚群撈出來放進塑膠袋以親手清洗魚缸，最後推動膠袋滾出窗戶進入海港。在一次失敗嘗試後，與眾魚交好的祖哥向尼莫帶來有關馬林的訊息，驅使尼莫再次嘗試並成功使濾水器故障，但計劃因牙醫安裝了一台高科技濾水器而失敗。
馬林和多莉離開東澳洋流後獲一條藍鯨幫助被送至雪梨港，後被鵜鶘祖哥認出帶到了牙醫的診所。此時牙醫正要把尼莫贈予妲拉，尼莫裝死並希望藉此被沖到馬桶而排放到大海中，剛到達的祖哥飛進診所造成了混亂，在被牙醫趕走前，馬林看見裝死的尼莫並以為兒子已死，混亂中尼莫掉到牙醫的工作檯上，在吉哥協助下進入了漱口盤的管子回到了大海。
傷心的馬林與多莉向祖哥道別後獨自回家。被丟下的多莉遇上尼莫，但因短暫失憶症復發而未能想起馬林的事。在看到雪梨海底下水道上寫有「雪梨」的核印後，多莉恢復記憶並協助尼莫追上馬林。馬林與尼莫重逄之際，多莉與一群石斑魚進入了一艘漁船的魚網範圍。尼莫在告訴牠的爸爸牠必須要放心讓尼莫去飛之後，就鑽進了魚網中，和多莉一起幫助那群魚逃離魚網。尼莫進入漁網指示魚群游向海底，成功破壞了魚網救出多莉。
多莉、馬林和尼莫回到了大堡礁，馬林不再過度保護尼莫，多莉成為了布魯斯等鯊魚的同伴。另一方面，牙醫診所魚缸內的高科技濾水器發生故障，吉哥等缸中魚群成功逃到了雪梨港，卻發現牠們仍被困在塑膠袋中。
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