Dory lever lykkeligt på koralrevet sammen med Nemo og Marlin. Dory pludselig kommer i tanke om, at hun har en familie, som måske leder efter hende, rekrutterer hun Marlin og Nemo til et skelsættende eventyr tværs igennem det store ocean til Californiens prestigefulde Marine Life Institute (MLI), et rehabiliteringscenter og akvarium.