大家所深爱的、时常健忘的多莉（由艾伦·德杰尼勒斯 Ellen DeGeneres 配音）重返银幕！这次，她将与亲密伙伴尼莫（海登·罗兰斯 Hayden Rolence 配音）和马林（艾伯特·布鲁克斯 Albert Brooks 配音）联手，探寻她神秘的过去与失散的家人。她能想起多少往事？她的父母究竟是谁？还有，她是如何学会鲸语的呢？多莉与马林和尼莫踏上一场改变“鱼”生的冒险，穿越浩瀚海洋，直抵加州的著名海洋生物研究所。在这个地方，多莉得到了三位有趣居民的大力支持：一只脾气火爆、常令研究所员工忙得团团转的章鱼汉克（由艾德·奥尼尔 Ed O'Neill 配音）；一只相信自己生物声呐技能出故障了的白鲸贝利（泰·布利尔 Ty Burrell 配音）；还有一只视力严重问题的鲸鲨运儿（凯特琳·奥尔森 Kaitlin Olson 配音）。在研究所错综复杂的水道中，多莉和她的朋友们不断前行，同时，她也逐步领悟了友谊、亲情与家庭的真正意义......