Сюжет разворачивается в водах Калифорнийского залива через год после истории про Немо. Дори – ярко-синяя рыбка-хирург с лимонными плавниками. Она болтлива, жизнерадостна и прекрасно живет в морской глубине среди различных кораллов. У нее есть друзья. Но друзей пугает одна ее странность. Дело в том, что Дори плавает во сне и даже говорит, пока спит. Все чаще ее посещают отрывки детских воспоминаний. Пара рыбок-клоунов – Немо и его отец Марлин – присматривают за ней. Они стараются следить, чтобы с рыбкой ничего плохого не произошло. Еще она страдает провалами в памяти. Но это лишь подталкивает ее к выяснению того, что с ней приключилось раньше. Она хочет найти своих родственников и вспомнить всё, что с ней было. И где она обитала, иначе откуда такие странные сны? Марлин, Немо и Дори поплывут в «Институт жизни моря» в Монтерее, чтобы попытаться получить ответы. Возможно, именно там и будет ключ к разгадке ее тайн.