Tarina kertoo Ponyosta, pienestä meren kalasta joka tekee kaikkensa toteuttaakseen unelmansa. Hän haluaa elää maalla Sosuke-nimisen pojan kanssa. Ponyo rantakalliolla sijoittaa Hans Christian Andersenin Pienen merenneidon tarinan nyky-Japaniin. Se on tarina lapsuudesta, rakkaudesta ja merestä.

Viktoriaaniseen Englantiin sijoittuvat tapahtumat kertovat Rei- nimisestä nuorestatiedemiehestä. Ensimmäinen maailmannäyttely on ovella, kun Rei saa yllättävän lahjanisoisältään, Roidilta. Höyrypallo, jonka Roid on lähettänyt Reille, pitää sisälläänuskomattomia voimia. Nämä voimat voivat olla hyvin tuhoisia väärissä käsissä, joitaedustaa höyrypalloa tavoitteleva häikäilemätön ja salaperäinen Ohara Foundation.