多莉是一条患有短期记忆丧失症的蓝藻鱼，她突然回忆起自己失散多年的父母，决定踏上寻亲之旅。在小丑鱼尼莫和他的父亲马林的陪伴下，多莉从澳大利亚大堡礁出发前往美国加州海岸。途中他们来到海洋生物研究所，遇到了形形色色的新朋友：脾气古怪的章鱼汉克、总是怀疑自己声呐出问题的白鲸贝利，以及近视严重的鲸鲨运儿。在研究所错综复杂的水道系统中，多莉和伙伴们展开了一场惊险刺激的冒险。随着旅程的深入，多莉不仅逐渐拼凑出自己过去的记忆碎片，更深刻体会到了友谊、亲情和家庭的真谛。最终，在多莉永不放弃的精神感召下，所有人都收获了意想不到的成长与感动。