Di tepi Great Barrier Reef yang indah, hidup sepasang ikan badut bernama Marlin dan Coral yang tengah menantikan telur-telur mereka menetas. Namun, kebahagiaan itu berubah menjadi tragedi ketika seekor barakuda menyerang, membuat Marlin pingsan. Saat ia sadar, semua lenyap, Coral dan telur-telurnya tak tersisa, kecuali satu. Marlin menamai anak itu Nemo, dan berjanji akan menjaganya seumur hidup.

Bertahun-tahun kemudian, Marlin dan Nemo hidup damai di dalam anemon laut yang terlindung. Tapi Nemo, dengan semangat muda dan rasa penasaran yang besar, ingin melihat dunia luar dan memulai hari pertamanya di sekolah.

Saat mengantar Nemo, Marlin tak bisa menutupi kekhawatirannya dan memperingatkan guru tentang sirip Nemo yang cacat. Ketika tahu bahwa rombongan sekolah akan menuju "drop-off", batas antara terumbu karang dan laut lepas, Marlin panik dan ingin membatalkan semuanya.

Namun, Nemo menolak untuk terus hidup dalam ketakutan ayahnya. Ia berenang ke arah kapal cepat sebagai bentuk pemberontakan kecil, tapi justru berakhir diculik oleh dua penyelam scuba.

Di tengah lautan luas yang penuh misteri, sang ayah pun harus menghadapi ketakutannya untuk mencari putra satu-satunya. Apakah Marlin mampu menemukan Nemo sebelum semuanya terlambat?