Le petit Sosuke, cinq ans, habite une maison construite au sommet d'une falaise qui surplombe la mer. Un beau matin, alors qu'il joue sur la plage en contrebas, il découvre une petite fille poisson rouge qu'il baptise Ponyo, piégée dans un pot de confiture. Sosuke la sauve, et décide de la garder avec lui dans un seau.
Ponyo est aussi fascinée par Sosuke que ce dernier l'est par elle. Le petit garçon lui promet de la protéger et de s'occuper d'elle, mais le père de Ponyo, Fujimoto - un sorcier autrefois humain qui vit tout au fond de la mer - la force à revenir avec lui dans les profondeurs. Bien décidée à devenir humaine, Ponyo s'échappe pour retrouver Sosuke.