Das Anemonenfischpaar Marlin und Kora (deutsche Synchronstimmen: Christian Tramitz, Claudia Lössl) freut sich über die erste Eiablage im Korallenriff. Die glücklichen Eltern überlegen, welche Namen sie ihren 400 Kindern geben wollen. Kora hätte gern einen Sohn, der Nemo heißt. Doch bevor die Nachkommen schlüpfen können, werden Kora und die Eier von einem Barrakuda gefressen.

Kurz darauf stellt Marlin fest, dass der Raubfisch eines der 400 Eier übersah. Das hütet er wie seinen Augapfel, und als ein kleiner Fisch daraus schlüpft, nennt er ihn Nemo (Domenic Redl). Der allein erziehende Vater ist sehr besorgt um seinen Sohn, auch am ersten Schultag, obwohl der Lehrer, ein Adlerrochen (Jean Pütz), versichert, dass die Schülerinnen und Schüler bei ihm sicher sind. Der Unterricht hat noch nicht begonnen, da bemerkt Nemo ein in einiger Entfernung verankertes Boot und kommt dadurch auf eine Idee, wie er gegen die übermäßige Behütung durch seinen Vater rebellieren kann: Er schwimmt ins offene Meer hinaus und zum Rumpf der Yacht hinauf. Marlin schimpft und protestiert, wagt es jedoch nicht, das schützende Korallenriff zu verlassen. So muss er mit ansehen, wie Nemo von einem Schnorchler gefangen und aufs Schiff gebracht wird.

Verzweifelt folgt er der Yacht, kann sie jedoch nicht einholen und verliert sie aus den Augen. Dabei lernt er die Doktorfischdame Dorie (Anke Engelke) kennen, die behauptet, das Boot gesehen zu haben und ihm den Weg zeigen zu können, aber so vergesslich ist, dass sie sich nach wenigen Minuten wundert, wieso er ihr folgt und sich über seine vermeintliche Aufdringlichkeit beschwert. Als die beiden eine aus dem Schiff gefallene Taucherbrille finden, liest Dorie darauf „P. Sherman, Sydney“. Dort müssen sie also nach Nemo suchen. Aber wo liegt Sydney? Die 150 Jahre alte Schildkröte Crush (Udo Wachtveitl) weist ihnen den Weg.

Inzwischen ist der australische Zahnarzt Phillip Sherman (Willi Röbke) nach Sydney zurückgekehrt. In dessen Aquarium wird Nemo von den anderen Fischen herzlich aufgenommen. Der Halfterfisch Khan (Martin Umbach) hat schon einige Pläne gemacht, wie er und die anderen Fische aus dem Aquarium ins nahe Meer entkommen können, doch er kann nicht verhindern, dass der Zahnarzt nach einigen Tagen Nemo herausholt und zusammen mit etwas Wasser in einen durchsichtigen Plastikbeutel packt. Sherman will den exotischen Fisch nämlich seiner Nichte Darla (Geraldine Haacke-Guillaume) schenken, die heute zu ihm kommt.

In der Hoffnung, durch die Toilette ins Meer gespült zu werden, stellt Nemo sich tot, aber der Zahnarzt wirft daraufhin den Beutel mit ihm in den Abfalleimer. Ein Pelikan, der Nemo gerade die Nachricht bringen wollte, dass sein Vater in Sydney eingetroffen ist, sorgt dafür, dass Nemo – von dem Beutel befreit – in die Toilette kommt.

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Marlin hat inzwischen die Hoffnung aufgegeben, seinen Sohn lebend wiederzufinden und macht sich traurig auf den Heimweg. So kommt es, dass Nemo, als er aus dem Abwasserkanal ins Meer gespült wird, erst einmal auf Dorie trifft, die zuerst nicht weiß, wo sie seinen Namen schon einmal gehört hat, sich jedoch nach einer Weile wieder an die Zusammenhänge erinnert. Gemeinsam eilen sie Marlin nach und holen ihn ein.

Im nächsten Augenblick gerät Dorie in ein Fischernetz. Doch mit Hilfe von Nemo und Marlin gelingt es den gefangenen Fischen, sich daraus zu befreien.

Und während Nemo nach der Rückkehr zur Korallenbank zur Schule geht, fliehen Khan und die anderen Fische aus dem Aquarium des Zahnarztes ins Meer. Sie haben nur noch ein Problem: Jeder von ihnen befindet sich in einem oben verknoteten mit Wasser gefüllten Plastikbeutel …