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，多莉邂逅了小丑鱼父子马林（艾伯特·布鲁克斯 Albert Brooks 配音）和尼莫（海登·罗兰斯 Hayden Rolence 配音），与他们经历了前所未有的大冒险。平静的日子里，童年时期的片段记忆突然闯入多莉的脑海，于是她再度踏上寻找父母的旅程...
故事发生在一艘名为“契约”的殖民太空船之上，飞船上搭载了两千名进入沉睡的殖民者，他们的目的地是遥远的欧米伽六号行星，希望能够在那里建立新的家园。一场意外的发生令契约号的能量收集帆遭到了破坏，船长布兰森（詹姆斯·弗兰科 James Franco 饰）亦不幸身亡。作为代理船长的欧朗（比利·克鲁德普 Billy Crudup 饰）带领着惊恐而又悲伤的船员们降落到了一颗未知的神秘星球上。...