Siguiendo sus recién recuperados recuerdos, y con el objetivo de reencontrarse con su familia, la divertida pez azul con memoria de corto plazo inicia un viaje hacia la costa californiana.
Con la ayuda de la tortuga marina Crush, Dory, Marlin y Nemo remontan la corriente oceánica hacia California.
Cuando Dory se pasea cerca de un naufragio, el trío se ve obligado a huir de un calamar gigante depredador, casi matando a Nemo en el proceso.
Dolorida, Dory se aleja hacia la superficie y es "rescatada" por los voluntarios del cercano Instituto de Vida Marina.
Dory es etiquetada y enviada a la sección de cuarentena del Instituto, donde se encuentra con un pulpo rojo fugitivo llamado Hank, el cual quiere la etiqueta de Dory, ya que significa que en lugar de ser devuelta a su hábitat natural, como otros peces, ella será enviada a un acuario permanente en Cleveland.
En el camino, ella le pide ayuda a su amiga de la niñez llamada Destiny, una tiburón ballena que es corta de vista, y Bailey, una ballena beluga que cree que ha perdido su capacidad de ecolocalización debido a un golpe en la cabeza.
Al reunirse, Marlin le recuerda a Dory las buenas acciones que ella hizo en la primera película.
Reunidos, el trío viaja a cuarentena, donde se las arreglan para encontrar el depósito de los otros peces cirujanos azules.
Recordando que sus padres le enseñaron a seguir un rastro de ostras para volver a casa, Dory sigue la estela y finalmente, se reencuentra con sus padres, Charlie y Jenny.
Ellos trabajan juntos para secuestrar el camión y conducirlo por un acantilado hacia el océano, liberando a todos los otros peces en el interior también.
Así, Dory se reúne con sus padres, Hank, Marlin y Nemo.
[16] El estudio empezó a desarrollar Toy Story 3 y Monsters Inc.
En julio de 2012 se informó que Andrew Stanton estaba desarrollando una secuela de Buscando a Nemo, con Victoria Strouse como guionista y que se estrenaría en 2015.
[21] En abril de 2013 Disney anunció oficialmente la secuela, Finding Dory, confirmando que Ellen DeGeneres y Albert Brooks repetirían sus papeles de Dory y Marlin, respectivamente.
Buscando a Dory fue un rotundo éxito en taquilla, recaudando 1.028.570.889 de dólares en todo el mundo, lo que la convierte en la tercera película más taquillera de 2016, y la cuarta película más taquillera del estudio, solo por detrás de Toy Story 3, Toy Story 4 y Los increíbles 2 respectivamente.