Dory, le gentil poisson à la mémoire défaillante, mène une petite vie tranquille en compagnie de Merlin et de Nemo. Mais soudain, notre petit poisson bleu favori se souvient qu'elle a une famille, quelque part dans l'océan, une famille qui est peut-être même à sa recherche. Le trio se lance alors dans une quête pleine d'aventures qui va les conduire jusqu'à l'Institut Californien de Biologie Marine (MBI), un centre de réadaptation et un aquarium. Dans sa quête pour retrouver ses parents, Dory bénéficie de l'aide de trois des plus fous et plus intrigants habitants de la MBI : Hank, une pieuvre acariâtre, qui file souvent entre les doigts des employés ; Bailey, un béluga convaincu que ses compétences d'écholocation sont en panne ; et Destiny, un requin-baleine myope. Dory et ses amis naviguent habilement à travers tous les coins et les recoins de la MBI, découvrant ainsi la magie et le bonheur, au cœur de leurs défauts, de leurs liens d'amitié et des membres de leurs familles.