大家最喜愛的、健忘的多莉（艾倫·德傑尼勒斯 Ellen DeGeneres 配音）回來了！這次她將與好朋友尼莫（海登·羅蘭斯 Hayden Rolence 配音）與馬林（艾伯特·布魯克斯 Albert Brooks 配音）一起，尋找她的神秘過去和她遺失的家庭。她能記起來什麼？她的父母是誰？還有，她是從哪兒學會了說鯨語？多莉與馬林、尼莫一起開啟了這場改變「魚」生的大冒險，穿越大洋至加州著名的海洋生物研究所。 在這裡，多莉獲得了三位有趣居民的鼎力支持：一隻脾氣暴躁、經常讓研究所僱員找得團團轉的章魚漢克（艾德·奧尼爾 Ed O'Neill 配音）；一頭堅信自己的生物聲吶技能出問題了的白鯨貝利（泰·布利爾 Ty Burrell 配音）；以及一頭嚴重近視眼的鯨鯊運兒（凱特琳·奧爾森 Kaitlin Olson 配音）。當多莉和朋友們在研究所錯綜複雜的內部水道中輾轉前行時，她也逐漸對友誼、親情和家庭的奧義有了更深刻的認識……