Nemo es un pequeño pez payaso, el único hijo que le quedó a Marlin después de que una barracuda atacara la anémona donde vivía en el arrecife y acabara con su pareja, llamada Coral y con sus demás hijos. A partir de este suceso, Marlin se encarga de cuidar a su hijo de forma exageradamente protectora, lo que da lugar a que Nemo se rebele y emprenda una aventura aprovechando una excursión del colegio. Nemo, en su afán de demostrar su valentía y su capacidad de desenvolverse a pesar de tener una aleta atrofiada, es atrapado por un buzo con una red, y acaba en la pecera de un dentista de la ciudad de Sidney, para ser el regalo de la sobrina del dentista, Darla.

Desde entonces, su padre emprende una larga búsqueda para dar con pistas que le lleven a recuperar a su hijo. En el camino se le une un pez de poca memoria llamado Dory. Los dos tienen que sortear numerosos problemas entre los que se encuentran los tiburones vegetarianos, las medusas, las tortugas, una ballena con la cual hablan “cetáceo” y las gaviotas. Durante su viaje también reciben la ayuda de otros personajes entre los que se encuentran las simpáticas tortugas. Mientras tanto, Nemo entabla una gran amistad con los peces que habitan dentro de la pecera y juntos llevan acabo un plan para escapar y regresar al mar, aunque no les da resultado. Marlin llega por fin al lugar donde se encuentra Nemo, Sidney, justo en el día en que Nemo va a ser el nuevo pez de Darla.

Marlín y Dory llegan a la pecera de Nemo, pero como éste se hace el muerto para no ser adoptado por la niña, Marlín se da por vencido y se rinde. Después Nemo es tirado al wáter y acaba en el océano, donde encuentra a Dory y juntos buscan a Marlín. Sorprendentemente Dory se acuerda de todo lo que ha pasado y se da cuenta que Nemo es el hijo de Marlín.

Finalmente, el pequeño pez payaso y su padre, se encuentran de nuevo.