ある日、小さな金魚が家をこっそり抜け出し、クラゲの背に乗って海を漂っていた。ガラス瓶に閉じ込められて岸に流れ着いた彼女を助けたのは、海辺の家に母リサと暮らす5歳の少年・宗介。父耕一は漁船で働いている。宗介の指の傷を舐めて治した金魚は、新しい友達から「ポニョ」と名付けられる。 宗介は知らなかったが、ポニョには既に名前と家族があった。人間を捨てて海に暮らす魔法使いの父フジモトは、娘ブリュンヒルデを必死に探していた。連れ戻されたポニョは生まれつきの名を拒み、人間になりたいと宣言する。宗介の血から得た力で手足を生やした彼女は、再び海面へと脱出する。しかし海に解き放たれた魔法は自然の均衡を崩し、月は軌道から外れ始め、潮は危険なほど激しさを増す。ポニョと再会した宗介は、世界の秩序を取り戻し、彼女が人間として生き続けるために、古からの試練を乗り越えなければならない。