物語は、マーリンとともにニモを救出してから1年後、平穏に暮らしていたドリーが突然「家族の記憶」を思い出すところから動き出します。わずかな手がかりである「カリフォルニア州モントレーの海洋生物研究所」を目指し、ニモとマーリンを伴って大冒険へと旅立ちます。
旅の途中で離れ離れになりながらも、研究所で出会ったタコの「ハンク」、視力の弱いジンベエザメの「デスティニー」、エコロケーション(反響定位)に自信を失ったシロイルカの「ベイリー」など、それぞれに心身の課題を抱えるユニークな仲間たちの協力を得て、ドリーは自らの過去へ近づいていきます。
【結末のネタバレとクライマックス】
ようやく辿り着いた両親の飼育プールで、ドリーは「両親はすでに死んでしまった」と聞かされ、絶望のあまり再び孤独な大海原へと迷い出てしまいます。パニックに陥り記憶を失いかけるドリーでしたが、海底に並べられた美しい貝殻の列を発見します。それは、何年もの間、いつかドリーが戻ってくると信じて両親が四方八方に敷き詰めていた「帰るための道標」でした。
奇跡の再会を果たしたドリーは、捕らえられたニモやマーリンを救うため、自らの直感と型破りな発想力(「ドリーならどうする?」)を駆使してトラックをジャックし、仲間たち全員を海へと解放します。ドリーとニモ、マーリンの関係性は、単なる友人関係を超え、互いの欠けた部分を補い合う「もうひとつの家族」としてより強固に結ばれるという大団円を迎えました。