O filme conta a história de Marlín, um peixe-palhaço que passa pelo trauma de perder a esposa e seus 400 filhotes (ainda em forma de ovas) após um ataque de uma barracuda, vivendo em um uma anêmona, na paz de um recife na costa australiana, tendo como companhia seu filho Nemo, o único sobrevivente Mas Nemo é um peixe deficiente, possui uma nadadeira defeituosa, o que o impede de nadar bem (ao menos é o que o pai acha), o que torna Marlín um pai exageradamente super-protetor A jornada de Marlín começa quando Nemo é capturado por um dentista mergulhador, que o leva para Sidney, na Austrália, e o coloca em seu aquário. Mas o destino de Nemo é ser presenteado à sobrinha do dentista, Marla, uma criança psicótica, que, entre outras coisas, costuma chacoalhar o saco plástico onde estão os peixes até matá-los. O filme se divide então em momentos em que Nemo e outros peixes do aquário bolam planos de fuga e Marlín, que parte em sua busca, contando com a ajuda de Dory - uma peixinha que sofre de perda de memória recente, ou seja, esquece tudo segundos após os acontecimentos - através de perigos que vão desde água-vivas a ataques de gaivotas famintas