Sous la mer, quelque chose de bizarre se passe, des méduses se promènent doucement… Mais une petite tête pointe du hublot d’un drôle de navire et se sauve : un bout de corps rouge frétillant à tête humaine, qui part vers la surface sur le dos d’une méduse.
Sauvée par un petit garçon, Sôsuke, qui l’adopte comme un poisson rouge sous le nom de Ponyo, la petite chose est reprise par son papa mécontent, qui l’enferme sous la mer avec ses petites sœurs. Mais Ponyo a léché du sang humain et son corps a commencé à changer complètement. Elle casse tout, ouvre tout, et provoque des vagues immenses en courant après Sôsuke.
Quand elle le rejoint sur terre, après cette colère de la mer, elle a la forme d’une petite fille de cinq ans. Lisa, la maman de Sôsuke, l’accueille dans sa maison sur la falaise, puis s’en va pour aider les vieilles dames de l’hospice où elle travaille.
Au matin, les deux enfants partent seuls en bateau magique dans le village inondé. La maman de Ponyo, immense déesse de la mer, calme le monde bouleversé, et on retrouve tous les disparus protégés par une grande bulle d’air sous les eaux. Ponyo devient une vraie petite fille, la Lune qui faisait monter les eaux reprend sa place et tout le monde est sauvé.