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Marlin e Coral sono due pesci pagliaccio che vivono dentro ad un anemone sulla grande barriera corallina, nell'Oceano Pacifico, e che stAnno per diventare genitori: Coral ha deposto tante uova in una grotta e i due stAnno aspettando che si schiudano. All'improvviso un barracuda affamato li attacca, divorando Coral e le uova; Marlin tenta di fermarlo per salvare la moglie, determinata a proteggere le uova, ma viene colpito e sviene nell'anemone. Rimasto vedovo e disperato, Marlin scopre che un solo uovo si è salvato; decide quindi di chiamare quell'unico figlio rimastogli Nemo, come era desiderio di sua moglie, e si promette di non fargli succedere mai nulla. Nemo nasce e cresce, con Marlin sempre preoccupato che possa capitargli anche il minimo incidente. Tra l'altro Nemo è nato con una pinna atrofica, e questo rende ancora più ansioso il padre. Il primo giorno di scuola Nemo, arrabbiato per una sfuriata del padre, come atto di sfida entra da solo in mare aperto per toccare con la pinna un motoscafo fermo in superficie, ma mentre sta tornando indietro viene catturato da un subacqueo, che poi sale sul motoscafo e si allontana. Marlin, disperato, tenta l'inseguimento, ma il mezzo è troppo veloce.

Mentre vaga alla ricerca del motoscafo, Marlin scende oltre la barriera corallina, in mare aperto, e incontra per caso Dory, un pesce chirurgo femmina che soffre di perdite di memoria a breve termine. Lei dice di aver visto la barca e di seguirla per trovarla, ma dopo poco, non ricordandosi, gli urla di smettere di seguirla. Mentre i due stAnno per separarsi, vengono avvicinati da un enorme squalo bianco di nome Bruto: Marlin è terrorizzato, mentre Dory è ignara del pericolo e acconsente a seguire Bruto a una festa che in realtà è una riunione di un gruppo di autoaiuto di squali "buoni" che vorrebbero smettere di mangiare pesci. Il gruppo ha la sua sede di riunione nel relitto di un sottomarino circondato da centinaia di mine attive. In quel frangente Marlin vede la maschera del sub che ha catturato suo figlio appesa ad un siluro; Dory cerca di aiutarlo a recuperarla, ma si procura una lieve epistassi con l'elastico. Bruto, sentendo odore di sangue, dimentica la promessa e insegue Dory e Marlin per divorarli. I due si nascondono in un tubo di lancio, ma i violenti colpi di Bruto fAnno uscire il siluro: Bruto lo sputa via mandandolo a finire su una mina e provocando quindi una serie di esplosioni.

Intanto, Nemo si ritrova nell'acquario dello studio dentistico del dottor Philip Sherman, il subacqueo che lo aveva catturato. Lì fa amicizia con gli altri pesci, che gli rivelano quale sarà il suo destino: essere regalato a Darla, la terribile nipotina del dentista. Il capo dei pesci dell'acquario è Branchia, un idolo moresco. Branchia è l'unico altro pesce dell'acquario, assieme a Nemo, a provenire dall'oceano e non da un negozio, sogna la fuga da anni ed ha architettato numerosi piani di evasione, tutti falliti. Vedendo il piccolo Nemo, Branchia organizza un piano: Nemo dovrà provare ad entrare nella pompa del filtro dell'acqua e bloccare la valvola del flusso, in modo che l'acquario si sporchi riempiendosi di alghe. In questo modo i pesci sperano di costringere il dentista a tirarli fuori dalla vasca per pulire l'acquario mettendoli in sacchetti di plastica, con i quali avrebbero potuto rotolare giù dal davanzale fino in strada e tuffarsi in oceano. Intanto nell'oceano Marlin e Dory si risvegliano sul relitto del sottomarino, in bilico sopra una profonda fossa oceanica. Mentre cerca di recuperare la maschera, questa cade nell'abisso e i due pesci la inseguono. Immersi nel buio totale, i due vengono attirati da una luce, che si rivela essere l'esca di un feroce melanoceto. Mentre Marlin cerca di tenere a bada il pesce, Dory riesce a usare la luce per leggere la scritta sulla maschera: «P. Sherman, 42 Wallaby Way, Sydney». Alla fine i due amici riescono a immobilizzare il melanoceto imprigionandolo nella maschera e a fuggire.

I due pesci chiedono informazioni a un gruppo di pesci che si divertono a compiere imitazioni assumendo varie forme: essi dicono che per arrivare a Sydney bisogna imboccare la Corrente Orientale Australiana (la C.O.A.), e avvertono Dory che prima di entrare nella corrente c'è un crepaccio che è meglio attraversare sul fondo. Arrivati al crepaccio, Marlin si ostina a voler passare in superficie per impiegare meno tempo: i due avvistano subito la corrente, ma subito dopo si ritrovano in mezzo a un gigantesco banco di meduse Chrysaora fuscescens. Marlin è in parte immune al veleno, perché vive dentro un anemone ed è abituato alle punture, ma Dory no, e rimane intrappolata. Marlin riesce a tirarla fuori, ma le punture avute sono troppe e i due pesci perdono conoscenza e svengono, risvegliandosi poi sul Spina di un banco di tartarughe carette, che, dopo averli salvati, sta viaggiando con loro dentro la C.O.A. Usciti dalla corrente, i due si ritrovano in una zona di mare desolata vicino a Sydney, dove vedono in lontananza quella che si rivelerà essere una balena: Dory afferma di saper parlare il balenese, ma i versi che emette non sembrano avere conseguenze positive, in quanto la balena si avvicina e li aspira nella sua grande bocca insieme a un banco di krill. Nuovamente in una situazione disperata, Marlin si infuria e cerca di uscire battendo contro le pareti.

Dory, dopo aver ascoltato la storia di Marlin, nota quanto l'ossessione di quest'ultimo sia ingenua e gli fa notare che l'unico modo possibile per proteggere i propri figli da ogni cosa sarebbe impedirgli di vivere. Tutto a un tratto l'acqua nella bocca, assieme a loro, viene aspirata nella pancia della balena che però, anziché inghiottirli, li espelle dallo sfiatatoio proprio nel porto di Sydney, dimostrando quindi di aver capito le indicazioni di Dory. Qui Marlin incontra il pellicano Amilcare, che porta i due fino allo studio del dentista. Il piano dei pesci per fuggire però non ha funzionato: dopo che Nemo è riuscito a bloccare il filtro, il dentista non ha pulito la vasca ma vi ha installato un nuovo filtro. Quando Dory e Marlin arrivano, il dentista sta regalando Nemo a Darla; Nemo si finge morto, nella speranza di essere buttato nel water e di poter così raggiungere il mare. Marlin, però, crede che Nemo sia morto davvero e, dopo essersi fatto ritrasportare al porto, abbandona Dory. Nel frattempo Nemo, aiutato dagli altri pesci, riesce a raggiungere l'oceano, dove incontra Dory che sta vagando senza meta e si offre di aiutarla. Dory all'inizio non lo riconosce, ma improvvisamente tutto le torna alla memoria leggendo la scritta "Sydney" su un tubo e conduce Nemo da suo padre, che, dopo aver liberato Dory ed altri pesci da una rete di pescatori, finalmente può riabbracciarlo: i tre tornano a casa insieme sulla barriera corallina.