Le petit Sôsuke, cinq ans, habite une maison construite au sommet d'une falaise qui surplombe la mer. Un matin, alors qu'il joue sur la plage en contrebas, il découvre une petite fille poisson piégée dans un pot en verre, qu'il baptise Ponyo. Sôsuke la sauve et décide de la garder avec lui dans un seau. Ponyo est aussi fascinée par Sôsuke 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 au fond de la mer — la force à revenir avec lui dans les profondeurs. Bien décidée à devenir humaine, Ponyo s'échappe pour retrouver Sôsuke, provoque inconsciemment, une gigantesque explosion des forces naturelles, l'aide de ses pouvoirs et finalement, accepte d'y renoncer, pour grandir et vivre avec lui.