患有短期健忘癥的多莉（艾倫·德杰尼勒斯 Ellen DeGeneres 配音）曾經也擁有美好的家庭，然而一連串的意外讓她與和藹可親的父母失散。此去經年，多莉邂逅了小丑魚父子馬林（艾伯特·布魯克斯 Albert Brooks 配音）和尼莫（海登·羅蘭斯 Hayden Rolence 配音），與他們經歷了前所未有的大冒險。平靜的日子里，童年時期的片段記憶突然闖入多莉的腦海，于是她再度踏上尋找父母的旅程。這一次，她來到了海洋生物博物館，遇到了不打算回到大海的章魚漢克（艾德·奧尼爾 Ed O'Neill 配音）以及童年時的朋友鯨鯊運兒（凱特琳·奧爾森 Kaitlin Olson 配音）。循著記憶中的蛛絲馬跡，她離父母越來越近。然而在這一過程中，她又和馬林父子失散了。

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