在澳大利亚东北部的海域里，有个五彩斑斓的大堡礁群，里面生活着许多千姿百态的热带鱼。有一对小丑鱼——马林和珊珊就要当爸爸妈妈了！他们兴奋地看着珊瑚礁洞穴里的一窝鱼卵，期待着小宝宝们的诞生。 珊珊说： “我们还没给他们取名字呢，我喜欢尼莫这个名字。”
他们一边开心地商量着， 一边在海葵丛中追逐玩耍。突然， 一条梭鱼冲了过来！马林赶紧冲过去保护珊珊，可是。梭鱼的尾巴猛地扫过来，把他撞晕了。等马林醒来时，周围一片寂静。他赶紧游回洞穴里一看，窝里只剩下一枚小小的卵，珊珊和其他的卵都不在了。，虽然受了点儿伤，但万幸的是他还活着。“乖， 乖……没事儿了， 爸爸在这儿。”他小心翼翼地把卵放在自己的鳍上， 强忍着悲痛轻轻地说着，“我发誓再也不会让你受到任何伤害， 尼莫。”
从此， 马林精心地照料着他惟一的宝贝——尼莫。因为那场惊吓小尼莫的鳍一边大一边小， 游起来不但不平衡， 还显得有些笨拙，爸爸马林更觉得应该加倍保护他。小尼莫在爸爸的呵护下渐渐长大，父子俩一起过着安静、 与世无争的生活。
时间飞逝，很快尼莫就到了该上学的年龄。 一想到就要去上学了，尼莫兴奋得睡不着觉。
一大早，尼莫就醒了。“今天我要去上学！爸爸，快醒醒， 快醒醒！”尼莫边叫边在爸爸身上跳来跳去。
马林很犹豫，他觉得尼莫还太小，不想让他这么早去上学。他不放心地问尼莫：“你真的想今年就上学吗？不想去也没关系，明年再上也来得及。”
在尼莫的百般恳求下， 马林终于同意让尼莫去上学了。可他还是很不放心，一直把尼莫送到学校。在校园里，雷老师让尼莫和其他小朋友们一起爬到他的背上，然后就带着他们游走了。
马林听说雷老师要带孩子们去悬崖礁， 非常担心他的尼莫会有什么危险， 因为那里正是珊珊和孩子们出事的地方！
在悬崖礁， 尼莫和几个同学偷偷溜出队伍玩耍，他们发现水面上停泊着一艘船， 觉得很好奇， 想游到那边去看个究竟。
马林一直在后面跟着尼莫，看到他想去冒险， 马上赶过来阻止。他生气地责备尼莫：“别以为自己长大了，就什么都能干，你还差得远呢！”
尼莫根本听不进去爸爸的话，他小声嘟嚷着：“爸爸真烦！”
这时， 雷老师带着别的孩子们游了过来，尼莫趁马林转身和雷老师说话的工夫游到了船边。他用鳍一下下地敲打着船边，发泄对爸爸的不满，他真受不了爸爸总把他当成一个又小又弱、什么都不会做的小孩子！
突然，一个潜水员出现在尼莫的身旁。 马林和尼莫的同学们看到这样的情景，都惊呆了。
尼莫拼命用力往回游，可是潜水员跟在他后面，而且离他越来越近了。尼莫害怕极了，，他尖叫道：“爸爸——爸爸，快来救我呀！”
马林想要冲过去救他， 却被另一个潜水员挡住了！潜水员追上尼莫，迅速把他装进一个网兜里，带着尼莫浮到了水面上！
马林拼命地追赶他们，可是来不及了，他眼睁睁地看着儿子被带上了那条船。 船开动的时候，一个潜水面具从船上掉了下来。
马林追到一个繁忙的水下通道，询问那里的每一条鱼：“有没有看见一条船？他们抢走了我的儿子！”
终于，有一条叫多莉的蓝色刺尾鱼告诉马林， 她见过那条船！她热心地说：“它刚刚经过这儿，跟我来吧！”
路上， 他们遇到了大白鲨布鲁斯， 布鲁斯把他们带到了一艘沉没的潜艇上。 在这里， 马林发现了一个潜水面具，竟然和抓走尼莫的那个潜水员戴的面具一模一样。 上面写着：谢尔曼，悉尼，沃拉比路42号。
与此同时， 一只大手把惊魂未定的尼莫从网兜里捞出来， 扔进了水中。尼莫高兴地以为自己又重获了自由， 可是当他游来游去的时候，总是会莫名其妙地撞到透明的墙上。原来他是被扔进了牙医谢尔曼的鱼缸里。
到了这个新的环境，，尼莫又结识了几个新朋友：首领吉哥、泡泡、小桃、虾虾、豚豚、漂漂和胆小鬼。还有一只鹈鹕——他们叫他大嘴哥，他有时候会飞过来向鱼缸里的朋友，们问候，可他每次都会被牙医谢尔曼先生赶走。
谢尔曼医生想把尼莫当作礼物送给他的侄女——达拉来。调皮的达拉来总是喜欢捉弄小鱼，她曾经活活地把一条鱼给摇晃死了。
尼莫发现吉哥的鳍也受过伤，共同的经历使尼莫觉得他们两个很投缘。 吉哥还给尼莫取了个外号叫“鲨鱼饵”。
鱼缸里的鱼儿们在准备实施一个逃离鱼缸的大计划。经过周密的研究后， 他们的第一步，是要破坏过滤器，把鱼缸弄脏。因为谢尔曼医生发现鱼缸脏了后一定会清洗鱼缸，这样一来， 他就会把鱼缸里的鱼暂时挪到塑料袋里。 到时候鱼儿们一起使劲摇晃，把塑料袋撞破，只要冲出窗戶，就会获得自由了。
尼莫是这个计划成功的关键。因为只有他个子最小， 能钻进过滤器，把鹅卵石卡在上面。
经过好几次尝试， 尼莫终于成功地破坏了过滤器，鱼缸里的水开始变得黏糊糊、绿油油的。谢尔曼医生看了看鱼缸里变脏了的水，他皱着眉头说： “真糟糕， 我得趁达拉来还没到，赶紧清理一下鱼缸。”
鱼儿们知道计划成功了一半，高兴极了。
“小家伙， 准备好回去见爸爸吧！”吉哥对尼莫说。
“哈哈， 太棒啦！”尼莫高兴得手舞足蹈。
第二天早晨， 鱼儿们醒来后惊讶地发现， 鱼缸里的水又变得清澈透明了。 原来鱼缸已经被清洗过了，还换上了一个崭新的叫““除污灵2003”的高科技过滤器！
吉哥猜测：“一定是谢尔曼医生昨天晚上趁我们睡着时装上的。”逃亡计划失败了。“那我们该怎么办呢？”尼莫有点着急了。
这时， 他的爸爸马林和多莉，一路上克服千难万险，终于来到了悉尼港。 在这里， 他们遇到了大嘴哥。
当大嘴哥知道马林就是“鲨鱼饵”尼莫的爸爸时， 立刻决定帮助他们一起去救他。
还没等他们赶到，谢尔曼医生已经用小网把尼莫捞起来，装进了一个盛着水的塑料袋里。尼莫在塑料袋里使劲摇晃， 想要逃出去。谢尔曼医生怕尼莫掉出来， 就把塑料袋放进了一个盘子里。尼莫的新朋友们看着都快急死了， 因为可怕的达拉来马上就要来了！
果然，才过了一会儿，达拉来就冲进了房间。“小鱼！小鱼！”达拉来兴奋地跳了起来。
尼莫害怕极了，他突然灵机一动，翻转身体，肚皮朝上漂在水面上，打算装死。这时， 谢尔曼医生走过来拿起塑料袋，他看了看已经“死”了的尼莫，遗憾地摇了摇头。鱼缸里的伙伴们都高兴起来，因为如果医生去水池冲洗尼莫的话， 尼莫就能沿着下水道的排水管逃走了！
可是他们的喜悦很快就变成了恐惧，因为谢尔曼医生带着尼莫走向了垃圾筒！
就在这时， 大嘴哥飞进了房间。看见飞来了不速之客，谢尔曼医生顺手把塑料袋放在尖尖的修牙工具上， 挥手把大嘴哥赶出房间，关上了窗户。
塑料袋被戳了一个洞，开始漏水了。尼莫看到达拉来向自己走过来，他觉得自己死定了。
马林藏在大嘴哥的嘴巴里趴在窗户上看见了这一切，他担心极了。
达拉来跑过来一把抓起装着尼莫的塑料袋， 开始晃来晃去， 眼看尼莫就要死了……塑料袋上的洞越来越大， 里面的水越来越少……
鱼缸里的鱼儿们决心解救尼莫。他们一起用力把吉哥抛出鱼缸，正好落在达拉来的额头上！达拉来吓得尖叫一声，松开了手， 尼莫掉了下来。
吉哥看到尼莫掉在牙医的托盘上，赶忙也从达拉来的额头上跳下来，落在尼莫旁边，他用尾巴使劲把尼莫弹进了水池。尼莫终于从排水管里逃走了！
可是马林没有看到尼莫得救的一幕，他和多莉被大嘴哥送回了大海边。马林以为尼莫已经死了，他伤心地和多莉道了别，就一个人孤独地踏上了回家的路。
多莉也伤心极了， 她已经把马林当成了一家人，再也不愿意一个人孤独地生活了。
此时此刻， 尼莫正顺着排水管的水流急速前进，最后终于游回了海里。他要回去找爸爸！可是他找呀找， 怎么也找不到。就在这时，他遇到了多莉。 多莉带着他一起去找马林。
她领着尼莫来到最后一次看见马林的地方。那里的螃蟹告诉他们，马林已经到附近的渔场去了。
在朋友们的帮助下，尼莫和多莉在渔场里找到了马林。 历经了种种磨难， 父子俩终于团聚了！
几周之后， 马林带尼莫回到了学校。 尼莫和小朋友们一起玩耍的时候，马林就和别的爸爸们在旁边聊天。 多莉、布鲁斯也常常一起来看他们。后来，吉哥他们也成功地从谢尔曼医生的鱼缸里逃了出来。
经历了这次冒险，尼莫每次去上学之前，总要先紧紧地和爸爸拥抱一下。
“我爱你， 爸爸！”
“我也爱你， 宝贝！”