故事发生在影片第一部结束后一年。

    患有短期健忘症的多莉（艾伦·德杰尼勒斯 Ellen DeGeneres 配音）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，蓝唐王鱼多莉（Dory）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（Nemo）去上学，路上遇到了举家迁徙的蝠魟，勾起了她对家的向往。患上思乡病却不知道自己身世的多莉决定去寻找自己的父母。

    在小丑鱼尼莫和他的父亲马林（Marlin）的帮助下，她从澳大利亚大堡礁来到了美国加州海岸，在那里，她遇到了很多新朋友，有章鱼、海狮、白鲸……

    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（艾德·奥尼尔 Ed O'Neill 配音）以及童年时的朋友鲸鲨运儿（凯特琳·奥尔森 Kaitlin Olson 配音）。循着记忆中的蛛丝马迹，她离父母越来越近。然而在这一过程中又和马林父子失散了，因为她意外被海洋生物研究所捉走了。 

   

2018年10月6日，CCTV-6播出美国动画片《海底总动员2》，第一次观看。