เนโม (มาร์โลว์ บาร์คลีย์) เป็นเด็กหญิงที่อาศัยอยู่ในประภาคารกับพ่อของเธอ ปีเตอร์ (ไคล์ แชนด์เลอร์) ตั้งแต่แม่เสียชีวิตตอนเธอยังเล็ก ปีเตอร์สอนเนโมดูแลประภาคาร และเล่านิทานก่อนนอนสุดพิสดารเกี่ยวกับการผจญภัยของเขากับตัวละครชื่อ “ฟลิป” หนึ่งในเรื่องนั้นคือการตามหาถ้ำไข่มุกวิเศษที่สามารถขอพรได้ อยู่ในทะเลแห่งฝันร้าย น่านน้ำที่อันตรายที่สุดเท่าที่มนุษย์รู้จัก
วันหนึ่งเกิดพายุ ปีเตอร์ออกไปช่วยเรือที่กำลังลำบาก เนโมฝันร้ายว่าอยู่ใต้น้ำและเห็นปีเตอร์ถูกบางสิ่งคล้ายปลาหมึกยักษ์คว้าตัวไป เมื่อเธอตื่น คาร์ลา (ยานนา แมคอินทอช) แจ้งว่าพ่อของเธอสูญหายในทะเล คาร์ลาจึงติดต่อฟิลลิป (คริส โอดาวด์) ลุงของเนโมซึ่งเป็นเซลส์แมนขายลูกบิดประตู ให้รับเธอไปเลี้ยงก่อนที่เธอจะกลายเป็นเด็กในความดูแลของรัฐ ฟิลลิปใช้ชีวิตจำเจและดูไม่ค่อยมีความสุข
คืนหนึ่ง เนโมตื่นขึ้นเมื่อหมูผ้าของเธอ (ชื่อ พิก) มีชีวิต และเธอพบตัวเองอยู่ใน “สลัมเบอร์แลนด์” โลกที่อยู่ระหว่างความฝัน เตียงของเธอพาเธอกลับไปยังประภาคาร ที่นั่นเธอพบฟลิป (เจสัน โมโมอา) อาชญากรนอกกฎหมายผู้ดื้อรั้น เจ้าเล่ห์ มีฟันแหลม หูและเขาแพะ เขากลายเป็นเพื่อนร่วมทางของเธอ และเคยเป็นเพื่อนของปีเตอร์ เนโมจำเขาได้จากเรื่องเล่าของพ่อ ฟลิปถามหาแผนที่วิเศษ (มีรูปหอยนางรมและไข่มุก) แต่เธอไม่รู้เรื่อง ฟลิปรู้ว่าเนโมอยากพบพ่ออีก จึงบอกว่าจะช่วยหากเธอนำแผนที่มาให้ และเมื่อยังไม่มีประโยชน์กับเขา เขาก็ผลักเธอตกหน้าผาเพื่อปลุกให้ตื่น
เมื่อกลับสู่โลกจริง เนโมปรับตัวลำบากและกลายเป็นเด็กแปลกแยกในโรงเรียน เธอพบครูแนะแนว มิสอารียา (อินเดีย เดอ โบฟอร์ต) และเพื่อนนักเรียนชื่อจามาล (อาลี อัสการ์ ชาห์) อารียาแนะนำให้ฟิลลิปพยายามเชื่อมสัมพันธ์กับเนโม เขาจึงพยายามมาก ถึงขั้นสอนเธอสะเดาะกุญแจ ต่อมาเนโมพบแผนที่ในโลกจริง (ซ่อนอยู่หลังภาพวาดในของที่ส่งมาจากประภาคาร) และนำมันกลับสู่สลัมเบอร์แลนด์ โดยโกหกว่าต้องไปค้างโรงเรียน แล้วไปนอนในเปลในห้องอบไอน้ำของโรงเรียน ฟลิปจำใจพาเธอไปหาไข่มุกเพื่อขอให้พ่อมาอยู่ในฝัน แต่การเดินทางอันตรายเพราะต้องผ่านความฝันของคนอื่น หากตายในฝันของตัวเองจะตื่น แต่ถ้าตายในฝันของคนอื่นจะไม่ตื่นอีกเลย แผนที่จะช่วยนำทางผ่านประตูลับเชื่อมความฝันไปยังทะเลแห่งฝันร้าย
ฟลิปบอกว่าเขาไม่ยอมตื่นมานานจนจำตัวตนเดิมไม่ได้ ทั้งคู่เดินทางผ่านความฝันหลายแบบและถูกไล่ล่าโดยควันรูปร่างคล้ายคราเคน ซึ่งเป็นภาพแทนฝันร้ายที่พ่อของเนโมถูกจับ ฟลิปอธิบายว่าฝันร้ายได้กลิ่นความกลัวและจะไล่ตามจนจับได้
พวกเขายังถูกไล่ล่าโดยเจ้าหน้าที่กรีน (เวรูเช โอเปีย) จากสำนักงานกิจกรรมจิตใต้สำนึก (BoSA) ที่ต้องการจับฟลิปเพราะไม่ยอมตื่นและบุกรุกความฝัน ทั้งคู่พยายามหนีแต่สุดท้ายถูกจับ กรีนขังฟลิปและเตือนเนโมว่าเธอควบคุมความฝันไม่ได้ (BoSA ควบคุมและให้สิ่งที่จำเป็น ไม่ใช่สิ่งที่อยากได้) หากไม่ยอมปล่อยวาง ฝันร้ายจะตามทำลายเธอ และไข่มุกวิเศษก็เป็นเพียงตำนาน
ในโลกจริง ฟิลลิปให้เนโมดูวิดีโอเก่าที่เขากับปีเตอร์เล่นด้วยกันตอนเด็ก เนโมจึงรู้ว่าฟลิปคืออีกบุคลิกในฝันของฟิลลิป เดิมเขาเป็นเด็กขี้อายและปีเตอร์คือเพื่อนคนเดียว เขาสร้างตัวตน “ฟลิป” เพื่อเป็นใครก็ได้ในสลัมเบอร์แลนด์ เมื่อปีเตอร์โตและแต่งงาน ฟิลลิปยิ่งโดดเดี่ยว เพราะฟลิปไม่เคยตื่น ฟิลลิปจึงกลายเป็นคนเฉื่อยชาในโลกจริง เนโมยืมอุปกรณ์สะเดาะกุญแจแล้วไปช่วยฟลิป ทั้งคู่หนีกรีนจนกลับถึงประภาคาร เนโมบอกความจริงตัวตนเขา แต่ฟลิปปฏิเสธเพราะไม่อยากเป็นเซลส์แมนลูกบิด ก่อนเธอจะดำน้ำหาไข่มุก เธอถูกปลุกโดยมิสอารียา และเกิดการทะเลาะกับฟิลลิป
คืนนั้นเนโมหนีออกจากอพาร์ตเมนต์ ล่องเรือฝ่าพายุไปประภาคาร เธอกระแทกหัวหมดสติและกลับสู่สลัมเบอร์แลนด์ ในทะเลฝันร้ายเธอได้ไข่มุก แต่ถูกฝันร้ายไล่ ฟลิปมาช่วยด้วยเครื่องบิน ทั้งคู่พุ่งผ่านความฝันต่าง ๆ ขณะในโลกจริงเธอตกน้ำ ฟิลลิปนำทีมกู้ภัยไปช่วยแม้กลัวพายุ ฝันร้ายจับฟลิป เนโมจึงใช้พรบังคับให้เขาตื่น ในโลกจริงฟิลลิปกล้าหาญกระโดดน้ำช่วยเนโมที่หมดสติ
ในสลัมเบอร์แลนด์ กรีนชมเธอและมอบไข่มุกอีกเม็ด เนโมใช้มันพบพ่ออีกครั้ง ทั้งสองใช้เวลาร่วมกัน ปีเตอร์บอกว่าภูมิใจและชีวิตกำลังรอเธอในโลกจริง เนโมลาพ่อและตื่นขึ้น โดยฟิลลิปกอดเธอพร้อมบุคลิกกล้าหาญแบบฟลิป
จากนั้นเนโมเริ่มมีชีวิตที่ดีขึ้น มีเพื่อนที่โรงเรียน และฟื้นฟูความสัมพันธ์กับลุง พร้อมออกเรือโดยใช้เรือของปีเตอร์อีกครั้ง.
