大家最喜爱的、健忘的多莉（艾伦·德杰尼勒斯 Ellen DeGeneres 配音）回来了！这次她将与好朋友尼莫（海登·罗兰斯 Hayden Rolence 配音）与马林（艾伯特·布鲁克斯 Albert Brooks 配音）一起，寻找她的神秘过去和她遗失的家庭。她能记起来什么？她的父母是谁？还有，她是从哪儿学会了说鲸语？多莉与马林、尼莫一起开启了这场改变“鱼”生的大冒险，穿越大洋至加州著名的海洋生物研究所。 在这里，多莉获得了三位有趣居民的鼎力支持：一只脾气暴躁、经常让研究所雇员找得团团转的章鱼汉克（艾德·奥尼尔 Ed O'Neill 配音）；一头坚信自己的生物声呐技能出问题了的白鲸贝利（泰·布利尔 Ty Burrell 配音）；以及一头严重近视眼的鲸鲨运儿（凯特琳·奥尔森 Kaitlin Olson 配音）。当多莉和朋友们在研究所错综复杂的内部水道中辗转前行时，她也逐渐对友谊、亲情和家庭的奥义有了更深刻的认识……

故事从上一部结尾的六个月后开始，患上思乡病的蓝藻鱼多莉(Dory)决定去寻找自己的父母查理(Charlie)和安妮(Jenny)，在小丑鱼尼莫(Nemo)和他的父亲马林(Marlin)的帮助下，她从澳大利亚大堡礁来到了美国加州海岸，在这里她遇到了很多新朋友，有章鱼、海狮、白鲸等等。