Dory, le célèbre poisson chirurgien bleu souffrant de troubles de la mémoire immédiate, vit désormais paisiblement sur le récif corallien aux côtés de Marin et Nemo. À la suite d'un flash mémoriel soudain, elle se rappelle brusquement qu'elle a une famille qui l'attend quelque part sur la côte californienne. Déterminée à retrouver ses parents, elle traverse l'océan pour se rendre au prestigieux Institut de Biologie Marine de Californie. Aidée par de nouveaux compagnons d'infortune, elle va surmonter son handicap pour accomplir sa quête familiale.