由于在纽约自然历史博物馆担任警卫有出色表现,拉瑞(本·斯蒂勒 Ben Stiller 饰)出任某家电小公司的CEO,而且还在电视上接受了著名脱口秀主持人的访谈,儿子对他仰慕,爱情如影随形,一派春风得意的样子。不过,好景不长,当他故地重游,却意外发现馆长已经因为更新展览并准备把过时的展品挪到华盛顿的史密森博物馆继续展出。这让拉瑞感到有些气愤,他觉得自己有责任重振博物馆之雄风,于是他决定留下来再做一晚...
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...