Marlin es un pez payaso que vive en una anémona en la Gran Barrera de Coral. Su esposa, Coral, y casi todos sus huevos mueren en el ataque de una barracuda. Sólo queda un huevo dañado, al que Marlin llama Nemo.

Tiempo después, Marlin sobreprotege a Nemo, que nace con una aleta derecha atrofiada. El primer día de colegio de Nemo, Marlin avergüenza a Nemo y ambos discuten. Mientras Marlin habla con el profesor de Nemo, éste se acerca desafiante a una lancha cercana, donde un par de buzos lo capturan. Marlin persigue la lancha en vano y se encuentra con Dory, un pez azul con pérdida aguda de memoria a corto plazo, que le ofrece su ayuda. Los dos se encuentran con Bruce, Anchor y Chum, tres tiburones que han jurado abstenerse de comer pescado. Marlin descubre una máscara de buzo que se ha caído del barco y golpea accidentalmente a Dory con ella, haciéndole sangrar la nariz. El olor hace que Bruce se ponga a comer, pero huyen tras activar accidentalmente un anillo de viejas minas navales, que dejan inconscientes a Marlin y a Dory.

Nemo es colocado en un acuario en la consulta del dentista Philip Sherman en Sidney, Australia. Conoce a la "Pandilla del Tanque", que incluye a Bubbles, la estrella de mar Peach, el camarón limpiador Jacques, el pez globo Bloat, la grama real Gurgle y los peces damisela gemelos Deb y Flo, dirigidos por Gill, un ídolo moro. Nemo se entera de que va a ser entregado a la joven sobrina de Sherman, Darla, que ha matado a su anterior pez. Gill diseña un arriesgado plan de fuga: Nemo, que puede caber dentro del tubo del filtro del acuario, atascará el filtro con una piedra, lo que obligará a Sherman a meter a los peces en bolsas de plástico mientras limpia la pecera, lo que les permitirá salir rodando por la ventana hacia el puerto. Nemo intenta la maniobra, pero falla y casi muere.

Marlin y Dory se despiertan ilesos, pero la máscara cae en una profunda zanja. Descienden tras ella y se encuentran con un pez pescador que los persigue. Dory memoriza la dirección escrita en las gafas y escapan. Dory y Marlin reciben indicaciones de un banco de peces luna, pero Marlin no las tiene en cuenta para tomar lo que cree que es una ruta más segura. Tropiezan con un bosque de medusas, cuyas picaduras los dejan inconscientes. Se despiertan en la Corriente Australiana del Este con un grupo de tortugas marinas, entre las que se encuentran Crush y su hijo, Squirt. Marlin les cuenta su búsqueda, y la historia se transmite a través del océano hasta Sydney, donde un pelícano, Nigel, se lo cuenta a la Tank Gang. Inspirado por la valentía de su padre, Nemo hace otro intento de atascar el filtro y lo consigue, y pronto el acuario está cubierto de algas verdes.

Marlin y Dory salen de la Corriente Australiana del Este y son consumidos por una ballena azul. Dory intenta comunicarse con la ballena, que los expulsa a través de su espiráculo en el puerto de Sydney. Se encuentran con Nigel, que ayuda a la pareja a escapar de un grupo de gaviotas y los lleva a la consulta del dentista. Sherman ha instalado un nuevo filtro de alta tecnología, frustrando la huida de la Banda del Tanque. Darla llega, pero Nemo se hace el muerto para salvarse. Nigel provoca un alboroto, aterrorizando a Darla y sumiendo el consultorio en el caos. Marlin, al ver la actuación de Nemo, cree que éste está muerto. Después de que Sherman eche a Nigel (junto con Marlin y Dory), Gill ayuda a Nemo a escapar por un desagüe que lleva al océano.

Desesperado, Marlin se despide de Nigel y Dory, y comienza su viaje a casa. La partida de Marlin hace que Dory pierda la memoria. Nemo llega al océano y se encuentra con Dory, pero ella no le recuerda. Sin embargo, su memoria regresa cuando lee la palabra "Sydney" en una tubería de desagüe. Dory reúne a Nemo con Marlin, pero un pesquero la captura en una red junto con un banco de meros. Con la bendición de su padre, Nemo entra en la red, y él y Marlin ordenan a todos los peces que naden hacia abajo. Su fuerza combinada rompe la red del barco, permitiéndoles escapar. Marlin y Nemo se reconcilian.

Después de regresar al arrecife, Marlin está más seguro de sí mismo, mientras que Dory sigue siendo amiga de Bruce, Anchor y Chum. Marlin y Dory despiden a Nemo para que vaya a la escuela.

Mientras tanto, después de que se rompa el filtro del dentista, la Pandilla del Tanque escapa al puerto de Sidney después de haber sido metidos en bolsas. Todavía metidos en las bolsas, se plantean qué hacer a continuación.