在名为斯沃罗夫的小岛上，生活着一个名叫弗林德·洛克伍德（比尔·哈德 Bill Hader 配音）青年，他从小就想法多多，热衷各种各样的科学发明，比如不用鞋带的鞋子、能够自动行走的电视、飞行汽车、猴子语言翻译器等想法虽好，但通常都以失败和灾难告终。母亲生前对他的鼓励令弗林德从不灰心，他屡挫屡勇，在科学发明的天地里自得其乐。不过，老爸再也无法忍受儿子无休止的折腾，他要求弗林德在自家的店里帮忙。与此同时，为了解决当地食物匮乏的问题，弗林德偷偷进行着超级食物机的研究。在最新的尝试中，弗林德毁掉了刚刚揭幕的沙丁鱼乐园，不过他的实验也取得成效。众目睽睽之下，天空下起了令人难以置信的汉堡包雨！一切都变得有趣起来……
大家最喜爱的、健忘的多莉（艾伦·德杰尼勒斯 Ellen DeGeneres 配音）回来了！这次她将与好朋友尼莫（海登·罗兰斯 Hayden Rolence 配音）与马林（艾伯特·布鲁克斯 Albert Brooks 配音）一起，寻找她的神秘过去和她遗失的家庭她能记起来什么？她的父母是谁？还有，她是从哪儿学会了说鲸语？多莉与马林、尼莫一起开启了这场改变“鱼”生的大冒险，穿越大洋至加州著名的海洋生物研究所。 在这里，多莉获得了三位有趣居民的鼎力支持：一只脾气暴躁、经常让研究所雇员找得团团转的章鱼汉克（艾德·奥尼尔 Ed O'Neill 配音）；一头坚信自己的生物声呐技能出问题了的白鲸贝利（泰·布利尔 Ty Burrell 配音）；以及一头严重近视眼的鲸鲨运儿（凯特琳·奥尔森 Kaitlin Olson 配音）。当多莉和朋友们在研究所错综复杂的内部水道中辗转前行时，她也逐渐对友谊、亲情和家庭的奥义有了更深刻的认识……
