Продолжение легендарного мультфильма «В поисках Немо», главной героиней которого стала рыбка, потерявшая родителей. Дори, рыба породы «голубой хирург», подруга Немо, в поисках которого она некогда помогла Марлину. Теперь их семья воссоединилась, а Дори живёт в одиночестве, без родителей. Рыбке мешают постоянные провалы в памяти. Лишь недавно она стала припоминать события своего детства и во флешбеках видит маму и папу. Дори твёрдо решает отправиться в путешествие, Немо и Марлин сопровождают её. Герои плывут в Калифорнию с помощью глубоководных течений. Там находится Институт океанических исследований Морро Бэй, последняя зацепка в поисках семьи Дори. В пути команда сталкивается с различными опасностями и обретает новых друзей — осьминога Хэнка, акулу Дестини, весёлых морских львов Хлюпа и Ластера. С каждым разом Дори вспоминает всё больше, и, наконец, находит места своего детства. Однако родители покинули дом, оставив своей дочери знак...