大家最喜愛的、健忘的多莉（艾倫·德杰尼勒斯EllenDeGeneres配音）回來了！這次她將與好朋友尼莫（海登·羅蘭斯HaydenRolence配音）與馬林（艾伯特·布魯克斯AlbertBrooks配音）一起，尋找她的神秘過去和她遺失的家庭。她能記起來什么？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。在這里，多莉獲得了三位有趣居民的鼎力支持：一只脾氣暴躁、經常讓研究所雇員找得團團轉的章魚漢克（艾德·奧尼爾EdO'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TyBurrell配音）；以及一頭嚴重近視眼的鯨鯊邇海▌P特琳·奧爾森KaitlinOlson配音）。當多莉和朋友們在研究所錯綜復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……...