Nelle profondità della grande barriera corallina Marlin, pesce pagliaccio, è rimasto vedovo e con un unico figlio, Nemo. Quando per il piccolo arriva il primo giorno di scuola, il padre, pieno di paura per i tanti pericoli in agguato, lo accompagna. Reagendo d'istinto alle sue eccessive raccomandazioni, Nemo si allontana dal gruppo, supera la barriera, si avvicina ad una barca e subito viene catturato da un sub, destinazione un acquario nello studio di un dentista di Sidney. Disperato per la sorte del figlio, Marlin si mette subito alla sua ricerca. Non sa però da dove cominciare, quando in suo soccorso arriva Dory, un pesce chirurgo blu che gli offre aiuto ma soffre di fastidiosi vuoti di memoria. Così, trovare la strada giusta diventa un'impresa impervia e difficile. Gli ostacoli si succedono uno dopo l'altro: un terzetto di squali, una rana pescatrice, una foresta di meduse, una balena, un gruppo di tartarughe marine, i gabbiani affamati che presidiano il porto di Sidney. Infine però viene individuato lo studio del dentista, con l'acquario dal quale nel frattempo un pesce moresco di nome Branchia aveva organizzato un tentativo di fuga cui Nemo ha offerto un contributo determinante di decisione e di coraggio. Finalmente Marlin e Nemo si ritrovano. Il padre si scusa con il figlio per non aver creduto in lui. Dopo il ritorno a casa, ecco di nuovo Nemo a scuola con tutti i suoi colorati amichetti.