Das Clownfischpaar Marlin und Cora ist überglücklich. Sie haben ein Quartier in einer Symbioseanemone gefunden, wo sie ihre Jungen großziehen können. Doch ihr Glück wird von einem Barracuda jäh unterbrochen. Er verschlingt Cora und fast das gesamte Gelege. Nur ein Ei, darin Nemo, bleibt unversehrt.
An seinem ersten Schultag macht sich Nemo zusammen mit seinem Vater Marlin auf den Weg zur Schule. Dem Vater fällt es schwer, den Sohn ziehen zu lassen. Kaum hat er die Fischkinderschar mit ihrem Lehrer allein gelassen, erfährt er, dass sie zum Abhang des Korallenriffs schwimmen wollen, was er für viel zu gefährlich hält. Marlin schwimmt hinterher und findet Nemo schließlich abseits der Schulklasse, als er mit seinen neuen Freunden neugierig ein auf dem Meer schwimmendes Boot bewundert. Als eine Art Mutprobe überbieten sich die jungen Fische gegenseitig darin, dem Boot immer näher zu kommen. Marlin und Nemo geraten in einen Streit, und Nemo schwimmt wütend auf das Boot zu. Er berührt es trotzig und wird plötzlich von einem Taucher gefangen, der mit ihm im Boot verschwindet und davonfährt. Panisch versucht Marlin, dem Boot nachzuschwimmen, verliert es jedoch schon bald aus den Augen.
Der verzweifelte Marlin trifft auf die unter einem Verlust des Kurzzeitgedächtnisses leidende Dorie. Als er sie loswerden will, werden die beiden von einem Hai namens Bruce abgefangen, der sie auf eine Party einlädt. Dort erfährt Marlin, dass Bruce und die Haie Hammer und Hart eine Art Vegetarier-Selbsthilfegruppe gegründet haben, in der sie ihre Neigung, andere Fische zu fressen, überwinden wollen. Mitten in diesem Treffen entdeckt Bruce seinen Appetit auf Fleisch wieder, weil er Blut gewittert hat. Nun hat er es auf Marlin und Dorie abgesehen, sodass die beiden panisch das Weite suchen. Während der Flucht entdeckt Marlin die Taucherbrille von Nemos Entführer, auf der die Adresse des Besitzers „P. Sherman, 42 Wallaby Way, Sydney“ vermerkt ist.
Von nun an ist das Ziel klar, Marlin muss nach Sydney, wo sich Nemo aller Wahrscheinlichkeit nach aufhält. Beim Abtauchen nach der Brille sind Marlin und Dorie jedoch immer tiefer geschwommen, und plötzlich taucht ein großer Tiefsee-Anglerfisch auf, dem sie in einer erneuten Flucht entkommen. Die beiden erfahren von einem Fischschwarm, dass sie nach Sydney dem „OAS“, dem Ostaustralstrom, folgen müssen.
Nemo hat währenddessen sein neues Zuhause erreicht. In der Praxis eines Zahnarztes ist er in einem Aquarium gelandet, wo er Freundschaft mit den anderen Fischen schließt. Bald erfahren sie, dass Nemo als Geschenk für Darla gedacht ist, eine Nichte des Zahnarztes, die als Fischmörderin gilt. Verzweifelt suchen die Aquariumbewohner nach einer Möglichkeit, Nemo vor seinem Schicksal zu retten. Der Halfterfisch Khan nimmt die Fluchtpläne zum Anlass, auch die anderen Bewohner retten zu wollen und erklärt Nemo, dass ihre einzige Chance darin bestehe, den Filter des Aquariums mit einem kleinen Steinchen zu blockieren, damit das Aquarium verschmutze und der Zahnarzt sie alle in kleine Wasserbeutelchen packen müsse. Dann sollten sie sich aus dem Fenster und über die Straße bis ins nahegelegene Meer rollen.
Der erste Fluchtversuch scheitert, Nemo entgeht in der Röhre des Aquariumfilters nur knapp dem Tod. Beim zweiten Mal gelingt der Plan zunächst und das Aquarium verschmutzt zusehends. Als die Fische aber am nächsten Morgen aufwachen, ist das Aquarium wieder sauber. Der Zahnarzt hatte in der Nacht ein Selbstreinigungssystem installiert, und der Fluchtplan ist erneut gescheitert.
Marlin und Dorie haben dagegen im Ozean Glück im Unglück. Sie kämpfen sich durch ein Feld gefährlicher Quallen, an dessen Ende sie direkt auf den OAS treffen, wo sie die Meeresschildkröte Crush aufnimmt. Mit ihrer Hilfe kommen sie mit der Meeresströmung gut voran und geraten kurz vor Sydney in das Innere eines großen Wals, der sie bis an die Küste bringt. Mit Hilfe des Pelikans Niels gelangen sie rechtzeitig in die Praxis des Zahnarztes, in der Nemo bereits aus dem Aquarium genommen wurde, um bald an Darla übergeben zu werden.
Als Darla schließlich eintrifft, stellt sich Nemo tot, um ins Klo gespült zu werden, das ihn über die Abwasserleitung in die Freiheit gebracht hätte, aber der Zahnarzt will ihn im Müll entsorgen. In diesem Moment stürmt Pelikan Niels herein und versucht, Nemo zu retten. Marlin erblickt seinen sich tot stellenden Sohn und glaubt, alles sei umsonst gewesen. Der Arzt schafft es schließlich, Niels mit Marlin und Dorie im Schnabel aus dem Fenster zu scheuchen. In diesem Augenblick katapultiert sich Khan mit Hilfe des Aquarium-Vulkans aus dem Aquarium. Er landet auf dem Zahnarztbesteck und schafft es, Nemo mit einem Mundspiegel in das Spülbecken zu bugsieren. Nemo schwimmt den Abfluss hinab und ist letztlich gerettet, da alle Abflüsse im Meer enden. Khan wird vom Zahnarzt wieder in das Aquarium gesetzt.
Zur gleichen Zeit setzt Pelikan Niels Marlin und Dorie wieder im Meer ab. Die Stimmung ist getrübt. Marlin trennt sich von Dorie. Er schwimmt mit einem Schwarm anderer Fische zurück in Richtung Heimat. Kurz darauf kommt Nemo aus einem Abflussrohr ins offene Meer, wo er auf Dorie trifft, die sich an Marlin nicht mehr zu erinnern scheint. Ahnungslos suchen die beiden nach Nemos Vater. Durch Zufall liest Dorie das Wort „Sydney“ auf dem Abwasserrohr, und da fällt ihr alles wieder ein. Sie erzählt Nemo aufgeregt, dass Marlin noch in der Nähe sein müsse, und tatsächlich gibt es kurz darauf ein Wiedersehen zwischen Marlin und Nemo.
Aber die drei geraten in einen Fischschwarm, der geradewegs in ein Fischernetz schwimmt. Mit einer List können sich die Fische aus dem Netz befreien. Doch Nemo hat dabei einen Schlag abbekommen und liegt nun reglos am Meeresboden. Für einen Moment denkt Marlin, er habe seinen Sohn endgültig verloren, erkennt dann aber, dass Nemo lebt. Marlin, Nemo und Dorie schwimmen nach Hause zu ihrem Korallenriff. Marlin ist fortan nicht mehr so besorgt um Nemo, und dieser ist geduldiger mit seinem Vater.
Am Ende des Films gelingt auch den anderen Fischen die Flucht aus dem Aquarium des Zahnarztes. Zwar gelangen sie ins Hafenbecken, kommen allerdings nicht aus ihren Plastiktüten heraus.
