Synopsis:

Dory, un poisson chirurgien bleu, est séparée de ses parents alors qu'elle n'est encore qu'une enfant. En grandissant, Dory les cherche en vain, puis les oublie à cause de ses troubles de la mémoire immédiate. Dans un flashback du Monde de Nemo, elle rencontre accidentellement Marin, un poisson-clown qui cherche son film Nemo. L'histoire se déroule un an après les événements du premier film. Dory vit maintenant dans le récit de Marin et Nemo. Un jour, elle a une vision et se souvient de ses parents. Elle décide de partir à leur recherche, mais son problème de mémoire la retient. Elle se souvient soudainement qu'ils vivaient dans « le Joyau de la Baie de Morro, en Californie » lorsque Nemo en mentionne le nom. Marin et Nemo accompagnent Dory dans son voyage. Avec l'aide de Crush la tortue de mer, ils traversent le Courant de Californie et se retrouvent près d'épaves de cargos, où Dory réveille par accident un calmar de Humboldt qui les poursuit et manque de dévorer Nemo. Ils arrivent à coincer le calmar dans un bateau, et Marin admoneste Dory pour les avoir mis en danger. Blessée, Dory voyage jusqu'à la surface pour chercher de l'aide, où elle est capturée par des membres de l'Institut de la vie marine. Dory est placée en quarantaine et étiquetée. Elle y rencontre Hank, un poulpe grincheux mais bien intentionnée. L'étiquette de Dory lui permettant d'être transférée dans un aquarium à Cleveland, Hank, qui craint d'être libéré dans l'océan, accepte d'aider Dory à trouver ses parents en échange de son étiquette. Lors d'une démonstration, Dory retrouve son ami d'enfance Destinée, un requin-baleine myope, qui communiquait avec Dory à travers la tuyauterie, et Bailey, un béluga, qui pense avoir perdu ses capacités d'écholocalisation. Dory a alors plusieurs visions de son enfance avec ses parents, et peine à retrouver des détails. Elle finit par se souvenir comment elle fut séparée de ses parents : en entendant sa mère pleurer une nuit, elle décida d'aller chercher un coquillage pour lui remonter le moral et fut emportée par un courant. Marin et Nemo essaient de retrouver Dory. Avec l'aide de Fluke et Rudy, deux otaries de Californie, et Becky, un plongeon huard, ils arrivent à entrer dans l'institut et la retrouvent dans la tuyauterie. D'autres poissons chirurgiens leur annoncent que les parents de Dory se sont échappés de l'Institut il y a bien longtemps pour trouver leur fille et ne sont jamais revenus, laissant croire à Dory qu'ils sont morts. Hank sort Dory de l'aquarium, en y laissant accidentellement Marin et Nemo. Il arrive ensuite à la jeter dans un courant qui la jette dans l'océan. En errant, elle trouve un chemin de coquillages et se souvient que lorsqu'elle était petite, ses parents créaient le même genre de chemin lorsqu'elle se perdait afin qu'elle les retrouve. Elle suit le chemin et trouve un corail vide avec de nombreux chemins de coquillages tout autour. Alors que Dory se retourne pour repartir, elle voit ses parents au loin. Ils lui disent qu'ils ont passé des années à placer ces chemins pour qu'un jour elle les retrouve.