La película cuenta el increíble periplo de dos peces - Marlin y su hijo Nemo - que se ven obligados a separarse en la Gran Barrera de Coral, ya que Nemo es capturado por un buceador. El pobre termina en la pecera de la consulta de un dentista desde la que se divisa el puerto de Sydney. Marlin, con la ayuda de un simpático pero despistado pez llamado Dory (que carece de memoria inmediata), se embarca en un peligroso viaje. El precavido padre acaba convirtiéndose en el héroe de una verdadera epopeya cuyo fin es rescatar a su hijo, que por su parte ha urdido un descabellado plan para volver sano y salvo a casa.