세상에서 가장 소중한 보물인 아들 니모를 지느러미 끝 하나 다칠세라 과잉보호하며 키우던 아빠 물고기 말린에게 청천벽력 같은 일이 벌어진다! 열대어 수집광인 치과의사에게 니모가 납치되고 만 것. 평소 소심의 극치를 보이던 말린이지만 아들을 구하기 위한 일념으로 상상도 못할 온갖 위험이 도사리고 있는 바다 여행에 과감히 뛰어드는데…
그레이트 배리어 리프(호주 동북부에 있는 세계 최대의 산호초) 주변에서 살아가는 건 보통 위험한 일이 아니다. 특히 조그만 클라운 피쉬 말린에게는 하루하루가 생존게임의 연속이다. 그런 위험한 환경 속에서 외아들 니모를 키우자니 아빠 물고기 말린의 마음에는 두려움과 걱정이 떠나지를 않는다. 하지만 언제까지나 아들을 집 안에만 꼭꼭 숨겨놓고 키울 수는 없는 일.
드디어 니모가 아빠 품을 벗어나 처음 학교에 등교하는 날, 그는 너무 불안해서 니모를 학교까지 따라가며 행여 아들에게 무슨 일이 생길까봐 온갖 신경을 곤두세운다. 결국 니모가 아빠 말을 안 듣고 보트를 구경하러 절벽 뒤편으로 헤엄쳐 갔다가 갑자기 튀어나온 스쿠버 다이버에게 잡혔을 때, 그 모습을 속수무책으로 지켜보고 있던 말린은 까무라칠 지경이 된다.
절망감에 사로잡힌 말린은 아들을 찾아 미친 듯이 헤엄쳐 나아가다가 도리와 문자 그대로 쾅 부딪친다. 그러나 도움을 자청할 정도로 매우 선량한 블루탱 물고기 도리에겐 딱 한 가지 문제가 있었다. 그녀는 건망증이 심해서 무슨 일이든 금방 잊어버리고 만다는 것. 이 기묘한 수중 커플은 함께 불가능한 임무를 수행하러 먼 바다로 떠난다.
한편 니모는 시드니 항이 내다 보이는 치과 병원 수족관에 갇히는 신세가 된다. 수조에는 다채로운 물고기들이 살고 있는데. 그들의 리더는 길이라는 검고 터프한 물고기다. 길 역시 바다에서 잡혀온 물고기로서 다시 바다로 돌아가는 게 그의 꿈이다. 수조에는 그 밖에도 불가사리 피치, 풍선처럼 부풀어오르는 복어 블로트, 거품에 집착하는 옐로우 탱 버블, 결벽증이 심한 로얄 그래머 거글, 강박적인 청소 새우 자크, 유리에 반사된 자기 모습을 쌍둥이 자매 플로라고 굳게 믿고 있는 흑백 줄무니의 댐즐 피쉬 뎁이 살고 있다. 니모는 공식적으로 물고기 갱단에 입단하여, 길의 마음 속에 잠자고 있던 탈출의 꿈에 불을 지핀다.
말린과 도리는 상어 트리오(무식한 육식 기계라는 오명을 벗고 다정한 채식주의 상어로 거듭나기 위한 5단계 프로그램을 시작했음), 매력적이지만 치명적인 아귀, 해파리 지뢰밭 등을 거치며, 자신들이 얼마나 엄청난 모험을 감행했는지 깨닫는다. 그들은 또한 푸른 고래, 호주 동부 해류(East Austrailian Current, EAC)의 파도, 돌진하는 바다거북 떼와 조우하고, 굶주린 갈매기들의 공격을 막아내며 가까스로 시드니 항에 이른다. 그들의 모험은 전설적인 것이 되어, 물고기와 새들은 저마다 이 특별한 콤비에 대해 떠들어댄다. 아들을 찾아 대양을 여행하는 이 영웅적인 클라운 피쉬에 대한 소문은 니모의 수족관에까지 전해진다.
니모는 아빠가 자신을 구하러 오고 있다는 소식을 듣고 감격한다. 길의 격려와 아빠에게 돌아가고 싶은 강렬한 열망에 고무된 니모는 과감한 탈출 계획을 세운다. 하지만 시간이 너무 촉박하다. 다음 날이면 니모는 치과의사의 포악한 조카딸 달라의 제물로 끌려갈 판이다. 대책없는 말괄량이 달라는 애완 물고기를 잔인하게 고문해 죽이는 것으로 악명이 높다.
시드니 항에 도착한 말린과 도리는 친절한 펠리칸 나이젤의 크나큰 도움을 받는다. 나이젤도 이 용감한 클라운 피쉬에 대한 소문을 익히 들어 알고 있었다. 시간은 촉각을 다투고, 거대한 바다와 수많은 사건들이 아빠와 아들의 재회를 가로막는데…
