《海底总动员》的主角是一对可爱的小丑鱼(Clownfish)父子。父亲玛林和儿子尼莫一直在澳洲外海大堡礁中过着安定而幸福的平静生活。鱼爸爸玛林一直谨小慎微，行事缩手缩脚，虽然已经身为人父，却丝毫不会影响它成为远近闻名的胆小鬼。也正因为这一点，儿子尼莫常常与玛林发生争执，甚至有那么一点瞧不起自己的父亲。直到有一天，一直向往到海洋中冒险的尼莫，游出了他们所居住的珊瑚礁。正当尼莫想要舒展一下小尾巴的时候，一艘渔船毫不留情地将欢天喜地的尼莫捕走，并将它辗转卖到澳洲悉尼湾内的一家牙医诊所。
在大堡礁的海底，心爱的儿子突然生死未卜的消息，对于鱼爸爸玛林来说却无异于晴天霹雳。尽管胆小尽管怕事，现在为了救回心爱的孩子，玛林也就只有豁出去了。它决心跟上澳洲洋流，踏上寻找自己儿子的漫漫征程。
虽说是已下定决心，但这并不代表玛林可以在一夜之间抛弃自己怯懦的**格。途中与大白鲨布鲁斯的几次惊险追逐，很快便令它萌生退意，险些使父子重聚的希望化为泡影。但幸运的是，玛林遇到了来自撒马力亚(Samaritan)的蓝唐王鱼(Regal Blue Tang)多瑞(Dory)。多瑞是一只热心助人、胸怀宽广的大鱼。虽然严重的健忘症常常搞得玛林哭笑不得，但是有多瑞在身边做伴，却也渐渐令玛林明白了如何用勇气与爱战胜自己内心的恐惧，也懂得了一生中有一些事情的确是值得自己去冒险去努力的道理。
就这样，两条鱼在辽阔的太平洋上的冒险使它们交到了形形色色的朋友，也遭遇了各式各样的危机。而鱼爸爸玛林也终于克服万难，与儿子团聚并安全地回到了自己的家乡。过去那个甚至连自己儿子都瞧不起的胆小鬼玛林，经过这次的考验后成为了儿子眼中真正的英雄！一场亲情团聚的大戏，就此在充满泪水的眼睛中落下了帷幕。