Dory es un pez cirujano color azul que vive feliz en el arrecife de coral en compañía de Nemo y Marlin. Pero de repente, recuerda que tiene una familia en algún sitio y que a lo mejor alguien la está buscando en algún sitio. Así que embauca a Marlin y Nemo en una increíble aventura oceánica que les llevará al prestigioso Instituto de Vida Marina (MLI) de California, un acuario y centro de recuperación de especies marinas.

Para encontrar a su madre y a su padre, Dory pide ayuda a tres de los habitantes más estrafalarios del MLI: Hank, un pulpo cascarrabias que suele zafarse de los cuidadores; Bailey, una ballena beluga que está convencida que su sonar biológico está estropeado; y Destiny, un tiburón ballena corto de vista.

Dory y sus amigos se adentran con destreza por los complejos mecanismos internos del MLI y descubren la magia de sus defectos y las de sus amistades y familias.