在澳大利亞東北部的海域裡，有個五彩斑斕的大堡礁群，裡面生活著許多千姿百態的熱帶魚。有一對小丑魚——馬林和珊珊就要當爸爸媽媽了！他們興奮地看著珊瑚礁洞穴裡的一窩魚卵，期待著小寶寶們的誕生。 珊珊說： “我們還沒給他們取名字呢，我喜歡尼莫這個名字。”
他們一邊開心地商量著， 一邊在海葵叢中追逐玩耍。突然， 一條梭魚衝了過來！馬林趕緊衝過去保護珊珊，可是。梭魚的尾巴猛地掃過來，把他撞暈了。等馬林醒來時，周圍一片寂靜。他趕緊游回洞穴裡一看，窩裡只剩下一枚小小的卵，珊珊和其他的卵都不在了。，雖然受了點兒傷，但萬幸的是他還活著。“乖， 乖……沒事兒了， 爸爸在這兒。”他小心翼翼地把卵放在自己的鰭上， 強忍著悲痛輕輕地說著，“我發誓再也不會讓你受到任何傷害， 尼莫。”
從此， 馬林精心地照料著他惟一的寶貝——尼莫。因為那場驚嚇小尼莫的鰭一邊大一邊小， 遊起來不但不平衡， 還顯得有些笨拙，爸爸馬林更覺得應該加倍保護他。小尼莫在爸爸的呵護下漸漸長大，父子倆一起過著安靜、 與世無爭的生活。
時間飛逝，很快尼莫就到了該上學的年齡。 一想到就要去上學了，尼莫興奮得睡不著覺。
一大早，尼莫就醒了。“今天我要去上學！爸爸，快醒醒， 快醒醒！”尼莫邊叫邊在爸爸身上跳來跳去。
馬林很猶豫，他覺得尼莫還太小，不想讓他這麼早去上學。他不放心地問尼莫：“你真的想今年就上學嗎？不想去也沒關係，明年再上也來得及。”
在尼莫的百般懇求下， 馬林終於同意讓尼莫去上學了。可他還是很不放心，一直把尼莫送到學校。在校園裡，雷老師讓尼莫和其他小朋友們一起爬到他的背上，然後就帶著他們遊走了。
馬林聽說雷老師要帶孩子們去懸崖礁， 非常擔心他的尼莫會有什麼危險， 因為那裡正是珊珊和孩子們出事的地方！
在懸崖礁， 尼莫和幾個同學偷偷溜出隊伍玩耍，他們發現水面上停泊著一艘船， 覺得很好奇， 想游到那邊去看個究竟。
馬林一直在後面跟著尼莫，看到他想去冒險， 馬上趕過來阻止。他生氣地責備尼莫：“別以為自己長大了，就什麼都能幹，你還差得遠呢！”
尼莫根本聽不進去爸爸的話，他小聲嘟嚷著：“爸爸真煩！”
這時， 雷老師帶著別的孩子們遊了過來，尼莫趁馬林轉身和雷老師說話的工夫游到了船邊。他用鰭一下下地敲打著船邊，發洩對爸爸的不滿，他真受不了爸爸總把他當成一個又小又弱、什麼都不會做的小孩子！
突然，一個潛水員出現在尼莫的身旁。 馬林和尼莫的同學們看到這樣的情景，都驚呆了。
尼莫拼命用力往回遊，可是潛水員跟在他後面，而且離他越來越近了。尼莫害怕極了，，他尖叫道：“爸爸——爸爸，快來救我呀！”
馬林想要衝過去救他， 卻被另一個潛水員擋住了！潛水員追上尼莫，迅速把他裝進一個網兜裡，帶著尼莫浮到了水面上！
馬林拼命地追趕他們，可是來不及了，他眼睜睜地看著兒子被帶上了那條船。 船開動的時候，一個潛水面具從船上掉了下來。
馬林追到一個繁忙的水下通道，詢問那裡的每一條魚：“有沒有看見一條船？他們搶走了我的兒子！”
終於，有一條叫多莉的藍色刺尾魚告訴馬林， 她見過那條船！她熱心地說：“它剛剛經過這兒，跟我來吧！”
路上， 他們遇到了大白鯊布魯斯， 布魯斯把他們帶到了一艘沉沒的潛艇上。 在這裡， 馬林發現了一個潛水面具，竟然和抓走尼莫的那個潛水員戴的面具一模一樣。 上面寫著：謝爾曼，悉尼，沃拉比路42號。
與此同時， 一隻大手把驚魂未定的尼莫從網兜裡撈出來， 扔進了水中。尼莫高興地以為自己又重獲了自由， 可是當他游來游去的時候，總是會莫名其妙地撞到透明的牆上。原來他是被扔進了牙醫謝爾曼的魚缸裡。
到了這個新的環境，，尼莫又結識了幾個新朋友：首領吉哥、泡泡、小桃、蝦蝦、豚豚、漂漂和膽小鬼。還有一隻鵜鶘——他們叫他大嘴哥，他有時候會飛過來向魚缸裡的朋友，們問候，可他每次都會被牙醫謝爾曼先生趕走。
謝爾曼醫生想把尼莫當作禮物送給他的侄女——達拉來。調皮的達拉來總是喜歡捉弄小魚，她曾經活活地把一條魚給搖晃死了。
尼莫發現吉哥的鰭也受過傷，共同的經歷使尼莫覺得他們兩個很投緣。 吉哥還給尼莫取了個外號叫“鯊魚餌”。
魚缸裡的魚兒們在準備實施一個逃離魚缸的大計劃。經過周密的研究後， 他們的第一步，是要破壞過濾器，把魚缸弄髒。因為謝爾曼醫生髮現魚缸髒了後一定會清洗魚缸，這樣一來， 他就會把魚缸裡的魚暫時挪到塑膠袋裡。 到時候魚兒們一起使勁搖晃，把塑膠袋撞破，只要衝出窗戶，就會獲得自由了。
尼莫是這個計劃成功的關鍵。因為只有他個子最小， 能鑽進過濾器，把鵝卵石卡在上面。
經過好幾次嘗試， 尼莫終於成功地破壞了過濾器，魚缸裡的水開始變得黏糊糊、綠油油的。謝爾曼醫生看了看魚缸裡變髒了的水，他皺著眉頭說： “真糟糕， 我得趁達拉來還沒到，趕緊清理一下魚缸。”
魚兒們知道計劃成功了一半，高興極了。
“小傢伙， 準備好回去見爸爸吧！”吉哥對尼莫說。
“哈哈， 太棒啦！”尼莫高興得手舞足蹈。
第二天早晨， 魚兒們醒來後驚訝地發現， 魚缸裡的水又變得清澈透明瞭。 原來魚缸已經被清洗過了，還換上了一個嶄新的叫““除汙靈2003”的高科技過濾器！
吉哥猜測：“一定是謝爾曼醫生昨天晚上趁我們睡著時裝上的。”逃亡計劃失敗了。“那我們該怎麼辦呢？”尼莫有點著急了。
這時， 他的爸爸馬林和多莉，一路上克服千難萬險，終於來到了悉尼港。 在這裡， 他們遇到了大嘴哥。
當大嘴哥知道馬林就是“鯊魚餌”尼莫的爸爸時， 立刻決定幫助他們一起去救他。
還沒等他們趕到，謝爾曼醫生已經用小網把尼莫撈起來，裝進了一個盛著水的塑膠袋裡。尼莫在塑膠袋裡使勁搖晃， 想要逃出去。謝爾曼醫生怕尼莫掉出來， 就把塑膠袋放進了一個盤子裡。尼莫的新朋友們看著都快急死了， 因為可怕的達拉來馬上就要來了！
果然，才過了一會兒，達拉來就衝進了房間。“小魚！小魚！”達拉來興奮地跳了起來。
尼莫害怕極了，他突然靈機一動，翻轉身體，肚皮朝上漂在水面上，打算裝死。這時， 謝爾曼醫生走過來拿起塑膠袋，他看了看已經“死”了的尼莫，遺憾地搖了搖頭。魚缸裡的夥伴們都高興起來，因為如果醫生去水池沖洗尼莫的話， 尼莫就能沿著下水道的排水管逃走了！
可是他們的喜悅很快就變成了恐懼，因為謝爾曼醫生帶著尼莫走向了垃圾筒！
就在這時， 大嘴哥飛進了房間。看見飛來了不速之客，謝爾曼醫生順手把塑膠袋放在尖尖的修牙工具上， 揮手把大嘴哥趕出房間，關上了窗戶。
塑膠袋被戳了一個洞，開始漏水了。尼莫看到達拉來向自己走過來，他覺得自己死定了。
馬林藏在大嘴哥的嘴巴里趴在窗戶上看見了這一切，他擔心極了。
達拉來跑過來一把抓起裝著尼莫的塑膠袋， 開始晃來晃去， 眼看尼莫就要死了……塑膠袋上的洞越來越大， 裡面的水越來越少……
魚缸裡的魚兒們決心解救尼莫。他們一起用力把吉哥丟擲魚缸，正好落在達拉來的額頭上！達拉來嚇得尖叫一聲，鬆開了手， 尼莫掉了下來。
吉哥看到尼莫掉在牙醫的托盤上，趕忙也從達拉來的額頭上跳下來，落在尼莫旁邊，他用尾巴使勁把尼莫彈進了水池。尼莫終於從排水管裡逃走了！
可是馬林沒有看到尼莫得救的一幕，他和多莉被大嘴哥送回了大海邊。馬林以為尼莫已經死了，他傷心地和多莉道了別，就一個人孤獨地踏上了回家的路。
多莉也傷心極了， 她已經把馬林當成了一家人，再也不願意一個人孤獨地生活了。
此時此刻， 尼莫正順著排水管的水流急速前進，最後終於游回了海里。他要回去找爸爸！可是他找呀找， 怎麼也找不到。就在這時，他遇到了多莉。 多莉帶著他一起去找馬林。
她領著尼莫來到最後一次看見馬林的地方。那裡的螃蟹告訴他們，馬林已經到附近的漁場去了。
在朋友們的幫助下，尼莫和多莉在漁場裡找到了馬林。 歷經了種種磨難， 父子倆終於團聚了！
幾周之後， 馬林帶尼莫回到了學校。 尼莫和小朋友們一起玩耍的時候，馬林就和別的爸爸們在旁邊聊天。 多莉、布魯斯也常常一起來看他們。後來，吉哥他們也成功地從謝爾曼醫生的魚缸裡逃了出來。
經歷了這次冒險，尼莫每次去上學之前，總要先緊緊地和爸爸擁抱一下。
“我愛你， 爸爸！”
“我也愛你， 寶貝！”
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