La sirena Ariel, de 16 años, no está satisfecha con la vida submarina en el reino de Atlántica, un reino de fantasía en el Océano Atlántico. Le fascina el mundo humano. Con su mejor amigo Flounder, Ariel colecciona artefactos humanos en su gruta. No hace caso de las advertencias de su padre, el rey Tritón, que prohíbe el contacto entre los seres humanos y los merodeadores. Una noche, Ariel, Flounder y Sebastián, un cangrejo que sirve de consejero y compositor de la corte de Tritón, viajan a la superficie del océano para asistir a la celebración del cumpleaños del príncipe Eric. Ariel se enamora de Eric. Llega una violenta tormenta que destroza el barco y hace caer a Eric por la borda. Ariel rescata a Eric y lo lleva a la orilla. Le canta, pero se marcha justo cuando él recupera la conciencia para evitar que la descubran. Fascinado por el recuerdo de su voz, Eric jura encontrar a la chica que le salvó y le cantó, y Ariel jura encontrar la manera de unirse a él en su mundo. Al descubrir un cambio en el comportamiento de Ariel, Tritón interroga a Sebastián sobre su comportamiento y se entera de su amor por Eric. Un furioso Tritón viaja a la gruta de Ariel y destruye su colección de artefactos. Cuando Tritón se marcha, dos anguilas llamadas Flotsam y Jetsam convencen a Ariel para que visite a Úrsula, la bruja del mar.

Úrsula hace un trato con Ariel para transformarla en humana durante tres días a cambio de la voz de Ariel, que Úrsula mete en una concha de nautilus. En esos tres días, Ariel debe recibir el "beso del amor verdadero" de Eric. Si Ariel consigue que Eric la bese, seguirá siendo una humana permanentemente. De lo contrario, volverá a transformarse en sirena y pertenecerá a Úrsula. Ariel acepta y entonces se le dan piernas humanas y es llevada a la superficie por Flounder y Sebastian. Eric encuentra a Ariel en la playa y la lleva a su castillo, sin saber que es ella quien le ha rescatado antes. Ariel pasa tiempo con Eric y, al final del segundo día, casi se besan, pero Flotsam y Jetsam lo impiden. Enfadada por el éxito cercano de Ariel, Úrsula se disfraza de una hermosa joven llamada Vanessa y aparece en la costa cantando con la voz de Ariel. Eric reconoce la canción y, con su disfraz, Úrsula lanza un encantamiento hipnótico sobre Eric para que se olvide de Ariel.

Al día siguiente, Ariel descubre que Eric se casará con Vanessa. Scuttle, una gaviota a la que Ariel visita y le ofrece conocimientos inexactos sobre la cultura humana cuando era sirena, descubre la verdadera identidad de Vanessa e informa a Ariel, que persigue inmediatamente la barcaza de la boda. Sebastián informa a Tritón y Scuttle interrumpe la boda con la ayuda de varios animales marinos. En el caos, la concha de nautilus que rodea el cuello de Úrsula es destruida, restaurando la voz de Ariel y rompiendo el encanto de Úrsula sobre Eric. Al darse cuenta de que Ariel es la chica que le ha salvado la vida, Eric se apresura a besarla, pero el sol se pone y Ariel vuelve a transformarse en sirena. Ursula secuestra entonces a Ariel. Tritón se enfrenta a Úrsula y exige la liberación de Ariel, pero el trato es inviolable. A instancias de Úrsula, Tritón acepta tomar el lugar de Ariel como prisionera de Úrsula, renunciando a su tridente. Ariel es liberada mientras Tritón se transforma en un pólipo y pierde su autoridad sobre Atlántida. Úrsula se declara la nueva gobernante, pero antes de que pueda usar el tridente, Eric interviene con un arpón. Úrsula intenta matar a Eric, pero Ariel interviene, haciendo que Úrsula mate sin querer a Flotsam y Jetsam. Enfurecida, Úrsula utiliza el tridente para crecer hasta alcanzar un tamaño monstruoso.

Ariel y Eric se reúnen en la superficie justo antes de que Úrsula crezca y se eleve sobre ellos. Entonces consigue controlar todo el océano, creando una tormenta y sacando a la superficie los barcos hundidos. Justo cuando Úrsula está a punto de matar a Ariel, Eric se hace con un barco hundido y mata a Úrsula empalándola con el bauprés astillado. Con Úrsula muerta, Tritón y los demás pólipos del jardín de Úrsula vuelven a sus formas originales. Al darse cuenta de que Ariel ama de verdad a Eric, Tritón la transforma de forma permanente en sirena y aprueba su matrimonio con Eric. Ariel y Eric se casan en un barco y parten.