Un an après avoir retrouvé Nemo, Dory, poisson chirurgien bleu et amnésique, mène une vie paisible dans les récifs en compagnie de Marin et de son fils. Mais un jour, un souvenir-flash lui remet soudainement en mémoire son enfance et sa famille qu'elle avait oubliées. Déterminée à retrouver son passé, Dory se lance aussitôt à la recherche de ses parents à travers l'océan avec Marin et Nemo. Leur périple les mène dans un institut de la vie marine au large des côtes de Californie où ils font connaissance avec trois résidents : une pieuvre qui ne pense qu'à s'évader, un requin-baleine myope et un béluga persuadé de la défaillance de son sonar.