La película comienza con una joven Dory (Sloane Murray) en casa con sus padres Jenny y Charlie (Diane Keaton y Eugene Levy).

La ayudan mientras lidia con su pérdida de memoria a corto plazo. Dory nota la corriente cerca de su casa, pero sus padres le advierten que se mantenga alejado de ella. Ellos inventan una rima que Dory olvida. A Dory le preocupa olvidar a sus padres. La abrazan y le aseguran que no lo hará.

Una pareja de peces (Kate McKinnon y Bill Hader) están nadando juntos cuando escuchan a Dory pidiendo ayuda. Ella se ha separado de sus padres y no tiene idea de dónde fueron o cómo encontrarlos. La pareja intenta ayudarla, pero Dory desaparece.

Los años pasan, y Dory (ahora interpretada por Ellen Degeneres) sigue pidiéndole a otros peces que la ayuden a encontrar a su familia hasta el día en que se encuentra con Marlin (Albert Brooks) justo cuando perdió a Nemo (Hayden Rolence).

Un año después de que Nemo fuera encontrado, Dory ha estado viviendo con él y Marlin junto a la anémona de mar.

Ella los despierta a ambos para comenzar el día. Dory y Marlin llevan a Nemo a su clase con el Sr. Ray (Bob Peterson) y el otro pequeño pez. El Sr. Ray trae al pez para observar la migración de los rayos de picadura y menciona la corriente, lo que desencadena un recuerdo en Dory. Ella recuerda a sus padres y cómo los estaba buscando, pero su única pista es un lugar llamado "la joya de Morro Bay, California". Sabiendo que California está al otro lado del océano, Marlin no tiene mucho interés en ir todo el camino hasta allí para ayudar a Dory, pero ella le suplica y le pregunta si sabe lo que es realmente extrañar a alguien. Marlin mira a Nemo y dice que sí. Él dice que conoce a un hombre que puede cruzar el océano.

Los tres se juntan con Crush (Andrew Stanton) y las otras tortugas mientras montan la corriente para llevarlas lo más lejos que pueden. Una vez fuera de la corriente, se encuentran con un grupo de barcos hundidos. Dory comienza a llamar a sus padres, cuando pequeñas criaturas ocultas comienzan a callarla. Esto trae otro recuerdo de cuando Dory estaba buscando a sus padres, pero no puede recordar por qué tuvo que guardar silencio. El motivo es un gran calamar que persigue a Dory, Marlin y Nemo. Nemo es agarrado y casi se come hasta que el calamar es aplastado debajo de un contenedor. Dory se ve atrapada en anillos de plástico. Marlin enoja a Dory por sus acciones y dice que solo es buena olvidando las cosas. Dory nada y escucha la voz de Sigourney Weaver en la superficie. Cuando nada, dos personas la recogen y la colocan en una nevera portátil mientras Marlin y Nemo observan.

Dory ingresa al área de cuarentena del Marine Life Institute. Ella recibe una etiqueta en su aleta. Un pulpo llamado Hank (Ed O'Neill) se arrastra tratando de llegar al cuenco de Dory. Él le dice que ella está en Morro Bay, lo que significa que está a un paso (o nadar) más cerca de sus padres. Hank ve la etiqueta de Dory y cree que es su boleto de salida porque sabe que los peces marcados son enviados a un acuario en Cleveland, que es donde preferiría estar porque tiene malos recuerdos de vivir en el océano. Ven un mapa del parque del instituto, donde Dory nota que la exhibición Open Ocean tiene un caparazón morado, que ella recuerda que era el favorito de su madre. Hank y Dory acuerdan ayudarse mutuamente, así que la saca en una cafetera y sale sigilosamente de la habitación.

Marlin y Nemo intentan encontrar la manera de llegar a Dory. Se encuentran con dos leones marinos, Fluke y Rudder (Idris Elba y Dominic West), que yacían felizmente encaramados en la roca, hasta que los molesta un lobo marino llamado Gerald. Le dicen a Marlin que Dory está en cuarentena, y que solo hay una forma de contactarla. Una bandada de somormujos desciende, pero Fluke y Rudder eligen uno específico que llaman Becky para ayudar a Marlin y Nemo a llegar allí. Después de ganarse la confianza de Becky, recoge a Marlin y Nemo en un cubo y vuela hacia el parque.

Dory y Hank están casi fuera hasta que Dory se deja caer en un cubo llamado "Destiny", tomándolo literalmente porque cree que la llevará a donde quiere ir. Ella está rodeada de peces muertos y luego es arrojada a una exhibición perteneciente a un tiburón ballena extremadamente miope cuyo nombre es Destiny (Kaitlin Olson). Ella y Dory hablan ballenas el uno al otro, lo que lleva a Destiny a reconocer a Dory desde su infancia, ya que se comunicaron a través de una tubería. Dory también se encuentra con una ballena beluga llamada Bailey (Ty Burrell), que es consciente de su cabeza hinchada y tiene problemas con la ecolocación. Hank se arrastra dentro del tanque mientras Destiny y Bailey intentan ayudar a Dory en su búsqueda.

Dory y Hank encuentran un carruaje de bebé vacío y lo usan para pasear por el parque sin llamar demasiado la atención. Dory lee los letreros que la guiarán a la exhibición Open Ocean, pero termina llevando a Hank hacia "las gafas más poderosas del mundo" después de recordar algo que Bailey dijo con respecto a esa frase. Terminan chocando con un niño que derrama sus palomitas de maíz, lo que lleva a algunos pájaros, incluida Becky, a picotear. Becky deja caer su cubo sobre un árbol, dejando a Marlin y Nemo colgando hasta que salen de la cubeta y entran en una pantalla afuera de la tienda de regalos.

Mientras tanto, Dory y Hank terminan en la zona infantil donde son arrojados a un tanque lleno de pequeñas criaturas marinas que los niños comienzan a agarrar, lo que horroriza a los peces. Después de que Dory recuerda "simplemente sigue nadando" (lo que aprendió de sus padres), guía a Hank hacia el área donde a los niños les gusta golpear a las criaturas. Hank teje el agua, asustando a los niños. Luego divisan la exhibición Open Ocean. Hank usa su camuflaje para escabullirse por la parte superior para dejar a Dory en la exhibición. Se despiden, y Hank parece haberse encariñado con Dory.

Marlin intenta encontrar una forma de salir de la pantalla. Piensa en lo que haría Dory, y los lleva a él y a Nemo a darse cuenta de que Dory detectaría lo primero que vea y lo usaría para su beneficio. Marlin ve un grupo de pequeños géiseres que conducen a una marea. Él y Nemo saltan de la pantalla y usan los géiseres para saltar al charco de marea.

Dory baja por la exposición y ve lo que se parece a su casa, pero sus padres no están allí. Ella ve un rastro de conchas que conducen a una tubería. Dos pequeños cangrejos le dicen a Dory que las perras azules como ella fueron llevadas a cuarentena. Le dicen que use las tuberías para llegar a casa, lo que le recuerda a Dory cómo se perdió: recuerda haber visto a Jenny llorando por algo relacionado con Dory. Little Dory fue a buscar un caparazón morado para animarla, pero fue arrastrada por la corriente.

Cuando Dory intenta abrirse camino a través de las tuberías, termina perdida hasta que oye la voz de Destiny. Se comunican cuando Bailey intenta usar la ecolocalización para descubrir dónde está Dory y cómo puede llegar a la cuarentena. Bailey ve algo que encabeza el camino de Dory, pensando que es un pez depredador, pero en realidad es Marlin y Nemo. Con la ayuda de Bailey y Destiny, vuelven a la cuarentena y se topan con Hank. Encuentran el tanque de tangas azules y lo hacen allí. Los otros peces reconocen a Dory como Jenny y el hijo de Charlie. Dicen que Jenny y Charlie estaban en la misma instalación buscando a Dory, pero eso fue hace años, y ahora se han ido. Dory piensa que significa que sus padres están muertos, y mientras intenta ordenar sus pensamientos, Hank la saca, pero la tira por el desagüe mientras él, Marlin, Nemo y todos los demás peces están preparados para ser llevados a Cleveland.

Dory se desliza por el desagüe y se encuentra de nuevo en el océano. Está oscuro y apenas visible. Dory ve un rastro de conchas, que recuerda como la cosa que sus padres usaron para dejarla encontrar su camino a casa. Efectivamente, Dory encuentra su antiguo hogar con otros senderos que lo conducen. Dory luego ve dos peces nadando en su camino. Son Jenny y Charlie. Los dos están eufóricos de reunirse con Dory. Dory entonces recuerda que sus amigos están en problemas, y ella trae a sus padres para buscarlos.

Dory llama a Bailey y Destiny, quienes saltan de sus exhibiciones al océano para ayudarla. Encuentran el camión con todos los peces en la autopista. Dory encuentra un grupo de nutrias marinas para ayudarla. Destiny voltea a Dory hacia el camión mientras las nutrias detienen el tráfico con su ternura (literalmente). Dory se dirige al camión, permitiendo que Marlin llame a Becky en busca de ayuda. Saca a Marlin y Nemo, pero Dory y Hank todavía están en el camión. Los conductores limpian las nutrias y luego continúan. Becky deja a Marlin y Nemo en el océano para conocer a Jenny y Charlie.

Hank asusta a los conductores que salgan del camión, por lo que él y Dory secuestran el camión y conducen hacia atrás desde donde llegaron. Conducen hacia un bloqueo policial, lo que los obliga a conducir de otra manera. Terminan conduciendo el camión desde un acantilado hacia el océano, liberando a todos los peces en el agua.

Dory regresa a casa con Marlin y Nemo, ahora acompañado por Jenny, Charlie, Destiny, Bailey e incluso Hank, que ha decidido quedarse en el océano. Junto con Destiny y Bailey, Hank se ha unido a la escuela de Nemo para enseñar. Dory luego nada junto al arrecife de coral con Marlin para disfrutar de la vista.

Después de los créditos, la pandilla del tanque pasa junto a Fluke y la roca de Rudder mientras se relajan, todavía en sus bolsas después de su escape. Rápidamente son recogidos por dos empleados del instituto para llevarlos a cuarentena. Gerald luego se cuela en la roca detrás de Fluke y Rudder.