Sosuke est un petit garçon déluré, qui vit tout en haut de la falaise qui domine la mer intérieure du Japon. Lisa, sa mère, travaille en bas, à la maison de retraite Sunflower, dont les pensionnaires, Toki et Yoshie, adorent Sosuke. Koichi, le père de Sosuke, est le capitaine d'un cargo : souvent absent, il communique avec Lisa et Sosuke par signaux lorsqu'il longe la falaise. Un jour, Sosuke découvre dans une bouteille un étrange poisson, qu'il sauve et baptise Ponyo. C'est en fait une petite sirène, enfant, comme ses centaines de soeurs, de Gran Mamare, la déesse de la mer, et de Fujimoto. Fujimoto a fui une humanité dont il prédit (et veut accélérer) la disparition de la vie terrestre au profit d'une autre vie, celle de l'océan. Il parcourt la mer sur son étrange sous-marin, escorté de requins. Ayant rejeté les égarements de l'espèce humaine, il ne peut accepter que Ponyo échappe à sa condition marine. Il déchaîne les éléments : le pays est submergé, la vie s'arrête. Seule la maison de Lisa et Sosuke émerge. L'humanité semble perdue, la maison de retraite est recouverte par les eaux mais, curieusement ses pensionnaires retrouvent leur pleine forme. Ponyo, elle, redevient sirène et manque de mourir. L'affection et la fidélité de Sosuke la sauvent. Elle sauvera aussi les hommes : Fujimoto s'est laissé attendrir, Gran Mamare permet à Ponyo de devenir une petite fille à part entière. Elle et Sosuke ne se quitteront plus.