《海底总动员2》的故事发生在第一部的一年后。讲述小丑鱼尼莫和父亲马林协助蓝唐王鱼多莉找寻父母的全新历险。患有短期健忘症的多莉曾经也拥有美好的家庭，然而一连串的意外让她与和蔼可亲的父母失散。此去经年，多莉跟小丑鱼父子成了邻居，生活上互相关照，相处融洽。有一天她随尼莫去上学，路上遇到了举家迁徙的蝠魟，勾起了她对家的向往，于是她再度踏上寻找父母的旅程。这一次，她来到了海洋生物博物馆，遇到了不打算回到大海的章鱼汉克以及童年时的朋友鲸鲨运儿。循着记忆中的蛛丝马迹，她离父母越来越近。然而在这一过程中，她又和马林父子失散了。 对友情、亲情的执着，让这群小家伙无论千难万险也要坚持到底……
