Relata la història d'una família japonesa que es trasllada al camp, en els anys 50. Les dues filles, Satsuki i Mei, ensopeguen amb un esperit del bosc: Totoro, amb el que entaulen amistat. El pare és un professor universitari que aviva la imaginació de les seves filles amb faules i històries màgiques sobre follets, fantasmes i esperits protectors de les llars, mentre la mare es troba malalta a l'hospital. Un dia, Satsuki rep un telegrama...

Mentre juga en una platja rocallosa, Sasuke, un nen de cinc anys, troba una peixeta de colors anomenada Ponyo amb el cap encallat en un pot de melmelada. Sasuke la rescata i li diu: No et preocupis, jo et protegiré i et cuidaré. No obstant això, el pare de la Ponyo, un bruixot que viu a les profunditats de l'oceà, l'obliga a tornar. Vull ser humana! exclama la Ponyo i, decidida a convertir-se en una nena i tornar amb Sasuke, escapa. Però no li serà gens fàcil aconseguir reunir-se amb ell.

Han passat tres anys i Batô segueix a la Secció 9. El record de la comandant Kusanagi no l'abandona. Ara ha d'investigar el cas d'una robot femenina destinada al plaer, que ha assassinat el seu propietari.