Après la mort de sa compagne et du reste de la couvée à la suite de l'attaque d' un barracuda, le poisson-clown Marin doit prendre soin de son fils unique, Nemo. Lors de son premier jour d'école, Marin, inquiet, décide de le suivre à l'occasion d'une sortie scolaire. Afin de prouver sa valeur à ses copains, Nemo décide de nager jusqu'à la surface pour toucher un mystérieux bateau. C'est alors qu'il se fait enlever par un plongeur.
Marin, qui assiste impuissant à cette scène, s'élance alors à la poursuite du bateau. Malheureusement, celle-ci est beaucoup trop rapide, ce qui n'empêche pas Marin de partir à la recherche de son fils. Sur son chemin, il fait la rencontre de la belle Dory, un poisson-chirurgien ayant des troubles de la mémoire. Ensemble, ils tenteront de rejoindre Sydney malgré d'innombrables dangers.