Der Film erzählt die Geschichte des kleinen Clownfischs Nemo, der im Pazifischen Ozean nahe Australien aufwächst. Sein liebevoller Vater Marlin ist durch den frühen Tod von Nemos Mutter und seinen Geschwistern ängstlich geworden. Er versucht daher, seinen Sohn vor den Gefahren des Meeres zu schützen. Wie der Zufall so will, verliert er ihn schließlich. Nemo wird von Menschen gefangen, und Marlin bricht in die Weiten des Ozeans auf, um seinen Sohn wiederzufinden.
Unterwegs erlebt der vorsichtige Marlin allerlei Abenteuer, die ihn schließlich zu einem mutigen Helden werden lassen. Im Kampf um Nemo wächst er über sich selbst hinaus. Dabei hilft ihm eine unter Amnesie leidende Zufalls-Fischbekanntschaft, die Palettendoktorfisch-Dame Dorie. Auf der gemeinsamen Suche nach Nemo trifft das Duo auf vegetarische Haie, alte Schildkröten, Quallen, vorlaute Möwen, düstere Tiefsee-Anglerfische, hilfreiche Pelikane und Krebse.
