Un tout petit poisson bleu, Dory, essaie de retenir les enseignements de ses parents malgré son trouble de perte de mémoire immédiate. Un jour, elle est emportée par le courant dans un trou noir. Elle cherche son chemin, perdue au milieu de l'océan. Adulte et toujours amnésique, Dory est l'amie du Marin, le père de Nemo, le petit poisson-clown. Elle décide de partir à la recherche de ses parents un jour de classe consacré à la migration, quand des bribes de souvenirs lui reviennent. Elle traverse l'océan avec Marin et Nemo. Ils arrivent à l'Institut de biologie marine, à Moro Bay. Dory est pêchée par des biologistes. Alors qu'elle risque d'être envoyée à l'aquarium de Cleveland, un poulpe, Hank veut prendre sa place : en échange, il l'aide à chercher ses parents. Pendant ce temps, Marin et Nemo sympathisent avec des otaries pour tenter de pénétrer l'aquarium. Là-bas, Dory retrouve son amie d'enfance, Destiny, un requin-baleine, et sympathise avec Bailey, un belouga, qui la guide à travers les tuyaux grâce à son écholocalisation. Dory se souvient comment elle fut séparée de ses parents. Elle retrouve Marin et Nemo : ils trouvent un aquarium de poissons bleus qui affirment que les parents de Dory sont partis. Marin et Nemo sont séparés de Dory et Hank. Tandis que ses amis sont placés dans un camion pour Cleveland, Dory, expulsée dans l'océan, retrouve ses parents. Avec l'aide de Destiny et Bailey, Dory parvient à stopper le camion et libérer ses amis.