Défié par ses nouveaux camarades de classe, Nemo, jeune poisson-clown à la nageoire droite atrophiée, sort de la barrière de corail. Averti par un pressentiment, son père Marin, très craintif depuis qu'un prédateur ne lui a laissé que Nemo pour famille, ne peut que constater la capture de son fils par un plongeur. Bravant ses angoisses, il part alors à sa recherche, muni du masque de plongée égaré par le ravisseur. Rapidement perdu, il croise Dory, un poisson-chirurgien amnésique, qui décide de le suivre. Bavarde et insouciante (elle suit des requins, manque de perdre leur seul indice...), Dory s'avère pourtant précieuse en déchiffrant sur le masque l'adresse du plongeur. Dentiste à Sydney, celui-ci a déposé Nemo dans l'aquarium de son cabinet pour en faire cadeau à sa nièce, une tueuse de poissons (selon les habitants du lieu, qui décident de l'aider à s'évader). Malgré l'ingénieux plan de Gill, la tentative échoue et semble sceller le sort de Nemo. Marin, lui, ne désespère pas. Recueilli par des tortues après avoir sauvé Dory d'un banc de méduses, il se rapproche de son but. Ses exploits arrivent jusqu'aux oreilles de l'Amiral, un pélican ami des camarades de son Nemo. Malgré son aide, Marin arrive trop tard. Nemo, flotte sur le dos et se fait jeter dans les toilettes : une ruse de Gill qui enfin fonctionne, et permet à Marin de retrouver son fils.