Aan het begin van de film zijn de clownvis Marlin en zijn vrouw Coral net verhuisd naar een nieuwe anemoon. Hun geluk is maar kort daar Coral en bijna alle eitjes die ze had gelegd, worden verslonden door een barracuda. Slechts 1 ei overleeft het. Marlin besluit het visje uit dit ei Nemo te noemen, een naam die Coral had bedacht. Het incident maakt Marlin verder overdreven neurotisch en beschermend tegenover Nemo.
Wanneer Nemo ouder is, is het tijd voor hem om naar school te gaan. Marlin volgt Nemo, tegen diens wil, om er absoluut zeker van te zijn dat hij veilig is. Nemo heeft het duidelijk gehad met zijn vaders gedrag. Om te bewijzen dat er geen gevaar is, verlaat hij het koraalrif. Hij wordt echter gezien door een scubaduiker, en meegenomen.
Marlin zet zich over zijn angst voor de open zee heen om Nemo terug te halen. Hij ontmoet Dory, een vis die lijdt aan kortetermijn-geheugenverlies. Desondanks meent ze zich wel te herinneren dat de scubaduiker die Nemo meenam uit Sidney komt. Ze vergezelt Marlin op zijn zoektocht. De twee komen onder andere drie vegetarische haaien, een school kwallen, en een groep zeeschildpadden tegen. Die laatste helpen hen een groot eind op weg. Tenslotte ontmoeten Marlin en Dory een Blauwe vinvis, die hen het laatste stuk naar Sidney vervoert.
Ondertussen wordt Nemo in Sidney door de duiker die hem meenam in een aquarium geplaatst. De duiker blijkt een tandarts te zijn. Het aquarium staat in zijn praktijk. In het aquarium ontmoet Nemo een aantal andere vissen. Wanneer deze horen dat de tandarts Nemo cadeau wil doen aan zijn nichtje Darla, maken ze plannen om Nemo te helpen ontsnappen, dit omdat Darla erom bekend staat zo ruw met vissen om te gaat dat de vissen overlijden. Gill, de leider van de vissen, haalt Nemo over om het waterzuiveringssysteem van het aquarium te blokkeren, zodat het water snel vervuild zal raken en de tandarts het aquarium moet verschonen. Hij zal de vissen dan tijdelijk uit het aquarium moeten halen, zodat ze hopelijk kunnen ontsnappen. De eerste poging faalt en kost Nemo bijna het leven. Wanneer hij van Nigel, een Bruine pelikaan, hoort dat zijn vader naar hem op zoek is, onderneemt hij een tweede poging, ditmaal met succes. De tandarts installeert echter een nieuw reinigingssysteem.
