Nemo es un pequeño pez payaso, el único hijo que le quedó a Marlin después de que una barracuda atacara la anémona donde vivía y acabara con su pareja y con casi toda su prole. A partir de este suceso, Marlin se encarga de cuidar a su hijo de forma exageradamente protectora, lo que da lugar a que Nemo se rebele y emprenda una aventura aprovechando una excursión del colegio. Nemo en su afán de demostrar su valentía y su capacidad de desenvolverse a pesar de tener una aleta atrofiada, es atrapado por un buzo con una red y acaba en la pecera de un dentista en la ciudad de Sidney para ser el regalo de la sobrina del dentista, Darla. Desde entonces su padre emprende una larga búsqueda para dar con pistas que le lleven a recuperar a su hijo. En el camino se le une un pez de poca memoria llamado Dory. Los dos juntos tienen que sortear numerosos problemas entre los que se encuentran los tiburones vegetarianos, las medusas, una ballena con la cual hablan "Cetáceo" y las gaviotas. Durante su viaje también reciben la ayuda de otros personajes entre los que se encuentran las simpáticas tortugas. Mientras, Nemo entabla una gran amistad con los peces que habitan dentro de la pecera y juntos urden un plan para escapar y regresar al mar.