Cerca de la costa del Noroeste del Pacífico, una manada de orcas nada pacíficamente.

La manada es rastreada por un grupo de balleneros. Una de las orcas tiene un distintivo conjunto de tres manchas. La orca queda atrapada y es enviada al Parque de Aventuras del Noroeste mientras su familia no puede ayudar.

Jesse, un problemático niño de 12 años abandonado por su madre hace seis años, pasa tres días en las calles de Portland, Oregón, después de huir de Cooperton hasta que la policía lo atrapa junto a Perry, quien escapa, vandalizando la sala de observación del parque donde Jesse se encuentra con la orca llamada Willy.

El trabajador social de Jesse, Dwight, le consigue un perdón al hacer que limpie la pintada a pesar de que sigue viviendo con los Greenwoods. Sus padres adoptivos son Annie y Glen Greenwood, quienes son comprensivos y amables, pero Jesse al principio se muestra indisciplinado y hostil hacia ellos.

Jesse ve a Willy nuevamente. Willy, considerado malhumorado y poco cooperativo por Rae Lindley, comienza a apreciar la música de armónica de Jesse y lo salva de ahogarse. Los dos comienzan a crear un vínculo y Jesse también se hace amigo de Randolph Johnson, el cuidador de Willy. Randolph le enseña sobre su conexión con Willy y Jesse recibe una oferta de trabajo para el verano después de su probatoria, y también se acostumbra a su nuevo hogar.

El dueño del parque, Dial, ve el talento que Jesse y Willy tienen juntos con la esperanza de finalmente obtener beneficios de Willy, quien hasta ahora ha sido un gasto costoso para él. Sin embargo, en el día de apertura, Willy se niega a actuar debido a que lo están provocando. Jesse, incapaz de hacer que realice trucos mientras lidia con la presión de los espectadores, se va llorando y planea encontrar a su madre. Willy rompe el tanque debido a su furia inducida por el estrés, cansado de los constantes golpes de los niños. Más tarde esa noche, Jesse se despide, pero se da cuenta de que la familia de Willy le está llamando desde afuera y se da cuenta de lo miserable que está en cautiverio al descubrir que sus voces responden al llanto de Willy. El descubrimiento se interrumpe cuando Jesse ve a Wade y varios colegas que se cuelan en la sala de observación para dañar deliberadamente el tanque lo suficiente como para que el agua se filtre gradualmente y mate a Willy, lo que les permitirá cobrar $1,000,000 de seguro.

Después de que Randolph revela el plan de Dial, Jesse idea un plan para liberar a Willy y recluta a Rae. Roban el camión de Glen y luego utilizan una carretilla elevadora para cargar a Willy en un remolque enganchado al camión y lo llevan a Dawson's Marina. Dial inicia una búsqueda después de que Wade le avisa de que Willy ha sido robado. Jesse, Randolph y Rae intentan seguir las carreteras secundarias para evitar ser vistos, pero finalmente quedan atascados en el barro.

Con Randolph y Rae incapaces de mover el remolque, Jesse llama a Glen y Annie usando una radio CB en el camión. Glen y Annie acuden en su ayuda y después de que Jesse suplica la ayuda de Glen, ellos ayudan a liberar el camión y continúan mientras hacen una parada en un lavado de autos. Una vez en el puerto deportivo, Dial ya está allí, habiendo descubierto su ruta. Glen rompe la puerta, da marcha atrás con el camión y mete a Willy en el agua.

Finalmente, Willy es liberado, pero no se mueve de inmediato, aparentemente habiendo estado en tierra seca durante demasiado tiempo. Wade y los cómplices intentan intervenir, pero el grupo los mantiene a raya el tiempo suficiente para que Willy nade hacia la libertad. Con el aliento de Jesse, Willy finalmente comienza a nadar. Antes de llegar, sin embargo, dos barcos balleneros de Dial bloquean el puerto deportivo. Jesse corre hacia el espigón, llamando a Willy para que lo siga y alejándolo de las redes. Jesse se acerca al borde y le indica a Willy que si salta, será libre. Jesse se despide entre lágrimas, pero se recompone y regresa arriba. Recita una oración Haida que Randolph le enseñó a través de la historia de Natselane, antes de darle la señal a Willy. Finalmente, Willy salta sobre el espigón y aterriza en el océano al otro lado, libre para reunirse con su familia, mientras un desconcertado Dial y Wade solo pueden mirar. Jesse agradece y abraza a Glen y Annie mientras Willy llama a Jesse a lo lejos.