据介绍，这部续集电影的故事从第一部《海底总动员》结尾的6个月后开始，主人公也换成了爱唠叨的多莉，而非第一部里的尼莫。患上思乡病的多莉由于记忆力短暂，她原本生活得很愉快，但一次事故让她重新记起了之前的家人和朋友，于是她决定重新启程，去寻找自己的父母查理和珍妮。在小丑鱼尼莫和他的父亲马林帮助下，多莉从澳大利亚大堡礁来到了美国加州海岸，在这里，她遇到了很多新朋友，有章鱼、海狮、白鲸等。当多莉和朋友们在研究所错综复杂的内部水道中辗转前行时，她也逐渐对友谊、亲情和家庭的意义有了更深的认识。