Nim, gadis 11 tahun, tinggal bersama ayahnya, Jack Rusoe, seorang ahli biologi laut, di pulau terpencil di South Pacific. Jack pernah mengatakan bahwa ibu Nim, Emily, meninggal karena diserang paus biru yang panik akibat kapal bernama The Buccaneer. Di pulau itu, Nim ditemani hewan-hewan sahabatnya, Selkie si singa laut, Fred si kadal berjanggut, Chica si penyu, dan Galileo si pelikan.

Suatu hari, Jack berlayar untuk misi penelitian selama dua hari guna menemukan spesies plankton baru yang ia beri nama Protozoa nim. Ia ingin membawa Nim, namun Nim memilih tinggal untuk menjaga telur penyu Chica yang akan menetas. Mereka tetap berkomunikasi lewat telepon satelit.

Nim sangat menyukai buku petualangan 'Alex Rover' karya Alexandra Rover. Suatu saat, ia menerima email untuk ayahnya dari 'Alex Rover' yang menanyakan soal penelitian Jack. Nim mengira itu benar-benar dari tokoh petualang idolanya, padahal sebenarnya dari sang penulis.

Ternyata, Alexandra Rover adalah wanita penulis yang penakut dan jarang keluar rumah, yang sering membayangkan dirinya berbicara dengan karakter ciptaannya sendiri. Mereka pun mulai bertukar email.

Masalah muncul ketika kapal Jack terkena badai siklon dan tidak bisa kembali sesuai rencana, bahkan kehilangan kontak dengan Nim. Di tengah bahaya hiu yang mengelilingi kapal, Galileo membantu membawa barang untuk Jack memperbaiki kapalnya.

Sementara itu, Nim memberi tahu Alexandra bahwa ayahnya belum kembali. Ia merasa tak berdaya menghadapi situasi tersebut, apalagi ia bahkan kesulitan melakukan hal-hal sederhana sendirian.