Марлин, рыба-клоун, после страшной трагедии потерял почти всю свою семью и теперь растит единственного сына Немо. Его страх перед огромным и опасным океаном заставляет его чрезмерно опекать малька. Немо, уставший от постоянных запретов отца, в день своего первого похода в школу в знак протеста уплывает на самую границу рифа. Там его и забирает аквалангист.
Теперь Марлину приходится преодолеть собственные фобии и отправиться в невероятную погоню через весь океан. По пути он встречает Дори, королевскую синюю рыбу с очень добрым сердцем, но совершенно неспособную что-либо запомнить. Вдвоем они пускаются в эпическое путешествие от Большого Барьерного рифа до Сиднея, сталкиваясь с акулами, медузами и морскими черепахами.
Тем временем Немо оказывается в аквариуме зубного врача. Он знакомится с местными обитателями, которые мечтают сбежать на волю. Под руководством вожака, рыбы по имени Жабр, они разрабатывают хитрый план побега. Немо, вдохновленный рассказами о храбрости своего отца, решает рискнуть и помочь новым друзьям.
Путь Марлина и Дори полон неожиданных поворотов, но их упорство и растущая дружба помогают им добраться до Сиднея. В решающий момент Немо удается вырваться из аквариума, и отец с сыном наконец воссоединяются посреди океанской гавани. Это путешествие навсегда меняет Марлина - он понимает, что нельзя держать сына в пузыре страха, и учится отпускать его, гордясь его смелостью.