เรื่องราวเริ่มต้นขึ้นเมื่อ “ดอรี่” ปลาสีน้ำเงินผู้มีความจำสั้น เริ่มนึกถึงครอบครัวของเธอขึ้นมาได้อย่างกระทันหัน เธอจึงตัดสินใจออกเดินทางเพื่อตามหาพ่อแม่ของเธอ โดยมี “มาร์ลิน” และ “นีโม” สองพ่อลูกปลาการ์ตูนจากภาคก่อน ร่วมเดินทางผจญภัยไปด้วย การเดินทางของดอรี่พาเธอข้ามมหาสมุทรไปจนถึงสถาบันวิจัยทางทะเลแห่งหนึ่งในแคลิฟอร์เนีย ที่ซึ่งเธอเชื่อว่าครอบครัวของเธออาจอยู่ที่นั่น

ภายในศูนย์วิจัย ดอรี่ได้พบกับเพื่อนใหม่มากมาย ไม่ว่าจะเป็น “แฮงค์” ปลาหมึกยักษ์จอมแอบซ่อน, “เดสทินี่” ฉลามวาฬสายตาสั้น และ “เบลลูกา” โลมาขาวที่มีพลังโซนาร์เป็นเลิศ ทั้งหมดช่วยกันวางแผนให้ดอรี่เดินทางไปให้ถึงจุดหมายปลายทางในภารกิจสุดท้าทายนี้ ท่ามกลางอุปสรรคต่าง ๆ ที่เกิดจากความจำสั้นของดอรี่เอง