Dory woont samen met Nemo en Marlin in het rif en op een dag herinnert Dory zich dat zij een familie heeft die misschien wel naar haar op zoek is. Het drietal gaat op een avontuurlijke reis door de oceaan en belandt zo bij het Zeeleven Instituut in Californië, een aquarium en revalidatiecentrum voor zeedieren. Tijdens de zoektocht naar haar ouders krijgt Dory de hulp van een aantal opvallende bewoners: Hank, een koppige octopus die ervan houdt het leven van het aquariumpersoneel zuur te maken, Bailey, een witte dolfijn die ervan overtuigd is dat zijn echolocatie-krachten niet meer werken, en Lot, een slechtziende walvishaai. Tijdens hun tocht door het gebouw van het Zeeleven Instituut ontdekken Dory en haar vrienden dat fouten maken niet erg is en de kracht van vriendschap en families.