Dory es un pez cirujano azul que vive feliz en el arrecife en compañía de Marlin y Nemo. Pero de repente, Dory recuerda que tiene una familia en alguna parte que podría estar buscándola. Así que el trío se embarca en una increíble aventura por el mar que les llevará al prestigioso Instituto de Vida Marina (MLI) de California, un acuario y centro de recuperación de especies marinas. Para encontrar a su madre y a su padre, Dory recurre a tres de los habitantes más misteriosos del MLI: Hank, un pulpo cascarrabias que quiere zafarse de los cuidadores; Bailey, una ballena beluga que está convencida que su sonar biológico está estropeado; y Destiny, un tiburón ballena cegato. Con mucha habilidad, Dory y sus amigos se adentran por los complejos mecanismos internos del MLI y descubren la magia de sus defectos y el valor de la amistad y la familia.