말미잘 속에서 사는 흰동가리, 일명 광대어 말린과 그의 아내는 알콩달콩 행복한 하루하루를 보내고 있다. 그러나 곧 부화될 수백개의 알들을 지켜보며 이름을 짓느라 토닥토닥 시간 가는 줄 모르던 말린에게 불운이 닥친다. 갑자기 나타난 상어에게 알들과 아내마저 빼앗긴 것이다. 슬픔 속에서 가까스로 그를 일으킨 것은 단 하나 남은 알. 그리고 얼마 후 아빠가 된 말린은 단 하나밖에 없는 아들이자 유일한 가족인 니모를 끔찍이도 아끼며 살아가고 있다. 니모의 형제들과 아내를 잃은 기억에 혹여나 마지막 남은 자식에게 무슨 일이라도 일어나지 않을까, 언제나 노심초사 하게 만든 것이다.
어느 새 니모가 학교를 가야할 때가 되고, 니모의 첫 등교날. 아빠는 오늘도 걱정이 태산이다. 가뜩이나 니모는 태어날 때부터 오른쪽 지느러미가 유독 작아 헤엄을 잘 치지 못하기 때문이다. 아니나 다를까. 첫날부터 야외수업을 나갔던 니모는 용기를 뽐내려 보트에 다가서다가 다이버에게 납치되고 만다. 다이버가 남긴 거라곤 시드니의 주소가 쓰여진 물안경 뿐. 꼭 니모를 찾겠다는 결심으로 떠난 머나먼 여행길. 그의 여행에 재미있는 친구가 하나 동참해준다. 도리라는 이름의 이 물고기는 착하기 그지없지만 단기 기억상실증에 걸려 애로사항이 좀 많다. 둘은 해파리 지뢰밭, 물고기의 친구로 거듭나겠다고 용쓰는 상어 트리오, 소문과는 달리 무지하게 빠른 바다거북 무리 등 가지각색 동물들과 만나고 또 헤어지면서 니모를 향해 간다.