События мультика разворачиваются спустя год после приключений Марлина и его сына Немо. Дори продолжает жить с ними в спокойных водах их уютного рифа. Несмотря на свою склонность к кратковременной потере памяти, героиня является невероятно преданной подругой и оптимисткой, которая всегда открыта к новым друзьям и приключениям. Однако ее собственное прошлое покрыто завесой тайны. Дори вспоминает лишь обрывочные детали своей жизни до встречи с Марлином и внезапно начинает задаваться вопросами, кто она на самом деле и куда она принадлежит.
Неожиданно перед ней всплывают фрагменты воспоминаний о ее семье — о родителях, которые когда-то ее потеряли. Эти крошечные осколки прошлого — такие, как место под названием "Институт Морской Жизни", детские обрывки памяти о "домике с ракушками", а также моменты утраченной любви и тепла семьи — пробуждают в рыбке решимость отправиться на поиски родных. Марлин и Немо, осознавая, что этому хрупкому существу одному не обойтись, решают плыть с ней и поддержать ее в этом непростом путешествии по бескрайним водам океана.
Поиски приводят друзей к берегам Калифорнии, где находится загадочный Институт океанографии, своего рода "реабилитационный центр" для морских существ. Именно здесь наша героиня, по ее воспоминаниям, выросла и провела свое детство. Но встретить своё семейство не так просто, ведь перед героями встают множество препятствий. Внушительное учреждение оказывается настоящим лабиринтом, а для маленькой рыбки каждая часть заведения становится отдельным испытанием.
