大家最喜爱的、健忘的多莉回来了！这次她将与好朋友尼莫与马林一起，寻找她的神秘过去和她遗失的家庭。她能记起来什么？她的父母是谁？还有，她是从哪儿学会了说鲸语？多莉与马林、尼莫一起开启了这场改变“鱼”生的大冒险，穿越大洋至加州著名的海洋生物研究所。 在这里，多莉获得了三位有趣居民的鼎力支持：一只脾气暴躁、经常让研究所雇员找得团团转的章鱼汉克；一头坚信自己的生物声呐技能出问题了的白鲸贝利；以及一头严重近视眼的鲸鲨运儿。当多莉和朋友们在研究所错综复杂的内部水道中辗转前行时，她也逐渐对友谊、亲情和家庭的奥义有了更深

有一天，美味小镇突然出现了一座“儿童午餐主题公园・多莉米亚”。虽然由依一群人在其中享受着饭团塔、面包摩天轮、拉面过山车等以食物为主题的游乐设施，但是玛丽却变成了布娃娃，园内发生了各种各样的异变……