《海底总动员2：多莉去哪儿》故事从上一部结尾的六个月后开始，总失忆的蓝藻鱼多莉跟小丑鱼父子成了邻居，生活上互相关照，相处融洽。有一天她随尼知莫去上学，路上遇到了举家迁徙的蝠魟，勾起了她对家的向往。患上思乡病的不知道自己身世的多莉决定去寻找自己的父母查理和安妮，在小丑鱼尼莫和他的父亲马林的帮助下，她从澳大利亚大堡礁来到了美国加州海岸，多莉意外却被道海洋生物研究所捉走了，在这里她遇到了很多新朋友，有章鱼、海狮、白鲸等等 。
该片故事发生在影片第一部结束后一年，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。
