Das Leben am Großen Barriere-Riff ist voller Gefahren, wenn man ein kleiner Clownfisch ist. Und Marlin, ein alleinerziehender Vater, der entschlossen ist, seinen einzigen Sohn Nemo zu beschützen, lebt stets in Angst und Sorge. Als es Zeit für Nemo wird, den Schutz der heimatlichen Seeanemone zu verlassen und das erste Mal zur Schule zu gehen, begleitet ihn Marlin und macht sich bei jeder Bewegung größte Sorgen. Als Nemo seinen Vater überlistet und über den gewaltigen Riffabgrund hinaus schwimmt, um ein Boot näher zu untersuchen, wird er plötzlich von einem Taucher eingefangen, was sein Vater hilflos miterleben muss.

Marlins schwindende Hoffnung verwandelt sich in Verzweiflung — und er schwimmt wild entschlossen los, auf der Suche nach seinem Sohn. Als er an einem Fischschwarm vorbeischwimmt, stößt er im wahrsten Sinne des Wortes auf Dory, einen hübschen Blauen Doktorfisch, der ihm Hilfe anbietet.

Der Ruf dieses heroischen Clownfischs, der den ganzen Ozean auf der Suche nach seinem Sohn durchschwimmt, erreicht sogar Nemo in seinem Aquarium in einer Zahnarztpraxis im Hafen von Sydney. Nemo ist überrascht und gespannt, als er von der Suche seines Vaters nach ihm erfährt. Mit Unterstützung seines Aquarium-Schicksalsgenossen Gill entwickelt Nemo, den die Sehnsucht nach seinem Vater antreibt, einen waghalsigen Fluchtplan. Aber die Zeit wird knapp, denn schon am nächsten Tag soll Darla, die ungestüme Nichte des Zahnarztes, Nemo abholen.

Bei der Ankunft im Hafen von Sydney erhalten Merlin und Dory kräftige Unterstützung von Nigel, einem freundlichen Pelikan, der auch schon die erstaunliche Geschichte dieses mutigen Clownfischs auf der Suche nach seinem Sohn gehört hat. Und während die Zeit verrinnt und zahlreiche Kräfte am Werk sind, bleiben Vater und Sohn weiter durch Ozeane getrennt in ihrem Bemühen, wieder zusammen zu kommen.