Depuis la mort de sa femme, Marin, poisson clown des eaux tropicales, mène une existence paisible avec son fils, Nemo, qu'il a tendance à trop couver. Mais lors de sa première journée d'école, ce dernier part en excursion avec tous ses camarades et leur professeur jusqu'à la limite du massif corallien.
Son père, affolé, l'ayant rejoint, Nemo s'aventure par bravade vers le large... où il est capturé par un plongeur sous-marin qui le remonte à bord de son bateau avant de s'éloigner. Tandis que Nemo échoue dans l'aquarium d'un dentiste de Sydney, au milieu d'autres poissons exotiques, Marin va devoir surmonter ses peurs pour partir à sa recherche, dans l'immensité de l'océan...