Dory, un pez cirujano color azul que vive feliz en el arrecife de coral en compañía de Nemo y Marlin, recuerda que tiene una familia en algún sitio y que a lo mejor alguien la está buscando. Así pues, embauca a Marlin y Nemo en una increíble aventura oceánica que les lleva al prestigioso Instituto de Vida Marina de California, un acuario y centro de recuperación de especies marinas. Para encontrar a su madre y a su padre, Dory pide ayuda a tres de los habitantes más estrafalarios del acuario: Hank, un pulpo cascarrabias que suele zafarse de los cuidadores; Bailey, una ballena beluga que está convencida que su sonar biológico está estropeado, y Destiny, un tiburón ballena corto de vista. Dory y sus amigos se adentran con destreza por los complejos mecanismos internos del acuario y descubren la magia de sus defectos y la de sus amistades y familias.