Dory, le poisson-chirurgien à très courte mémoire, se souvient un jour qu'elle a une famille. Elle entraîne alors Marin et Némo dans un voyage haletant, à la recherche de son passé. En chemin, ils sont épaulés par Hank, le poulpe grincheux, Bailey, un béluga convaincu que son sonar ne fonctionne plus et Destiné, un requin-baleine complètement myope...