Disney Pixar's Finding Nemo apresenta duas histórias principais. Como no filme de animação de 2003, o peixe-palhaço Nemo está indo para seu primeiro dia na escola quando é capturado perto da Grande Barreira de Corais da Austrália por um mergulhador e acaba em um aquário no consultório de um dentista. No primeiro enredo, os jogadores assumem o papel do pai de Nemo, Marlin, que com a ajuda de um esquecido peixe Regal Blue Tang chamado Dory, deve resolver quebra-cabeças e dominar minijogos no estilo arcade em busca de seu filho desaparecido. A segunda história envolve as tentativas de Nemo de se tornar amigo dos outros habitantes do aquário, a fim de se juntar ao Tank Gang e ajudar a realizar seu plano de fuga secreto. Os jogadores podem alternar entre as duas histórias a qualquer momento durante a aventura até que os dois estejam unidos.

Ao longo da aventura, os jogadores são apresentados aos personagens do filme que ajudam Marlin e Nemo a realizar tarefas. Durante a história de Marlin, os jogadores devem escapar de Bruce the Shark, recuperar a máscara de mergulhador de um submarino afundado, evitar um tamboril, pular em um labirinto de águas-vivas e pegar uma carona na corrente até o porto de Sydney. Enquanto isso, os minijogos e quebra-cabeças no segmento de Nemo incluem usar pedrinhas para obstruir o filtro do aquário, pegar bolhas antes que elas atinjam o topo do tanque, manobrar por um labirinto de cabeças de Tiki, ajudar Jacques a soltar seu chaveiro e escapar de um cano de esgoto infestado de caranguejo. Uma vez que pai e filho estão reunidos, eles devem salvar Dory e outros peixes da rede de um pescador.