Marin et Nemo vivent en parfaite harmonie avec Dory, qu'ils ont adoptée dans leur famille.

Alors que Dory participe avec Nemo à une sortie scolaire, quelques souvenirs lui reviennent de son passé, menant nos héros à l'Institut Californien de Biologie Marine où ils feront la connaissance de nouveaux personnages. Dory apprend qu'elle est née dans cet établissement, avant d'être relâchée dans l'océan lorsqu'elle était encore enfant. Elle s'embarque alors dans une aventure pour retrouver les membres de sa famille de cœur…

Le réalisateur Andrew Stanton (Wall-E, Toy Story) se confie sur la genèse du projet :

"Dory a conquis le cœur de millions de spectateurs. En songeant à elle, nous n’arrêtions pas de nous demander pourquoi elle était toute seule dans l’océan le jour où elle a rencontré Marin. Dans Le Monde de Dory, elle va retrouver ceux qu’elle aime et découvrir tout ce qui donne son sens au mot famille."