そこは海辺の小さな町。
宗介(土井洋輝)は海を臨む崖の上の一軒家に、母親のリサ(山口智子)と、父の耕一(長嶋一茂)と3人で暮らす5歳の男の子。父は内航貨物船の船長のため家を不在がちだけど、モールス信号で家族は会話をしている。デイケアサービス“ひまわりの家”に勤めるリサの職場と宗介の幼稚園は隣同士にあるため、毎日リサの車で二人は職場&幼稚園に通っていた。聡明で心やさしい宗介はひまわりの家のおばあちゃんたちの間でも人気者だった。
そんなある日、宗介は海でさかなの子ポニョ(奈良柚莉愛)と出会う。ポニョはジャムの瓶に頭がつっかかり、抜けられずに困っているところを宗介に助けられたのだ。この出会いで宗介を好きになったポニョ。「ポニョ、宗介好き!」というポニョに対し、宗介もポニョを好きになり「ぼくが守ってあげるからね」と、ポニョをバケツに入れて幼稚園に連れていく。一緒に時間を過ごすうちに、お互いが大好きになる二人。だけど、ポニョの実の父親で人間を辞め、海の住人となったフジモト(所ジョージ)によって、ポニョは海に連れ戻されてしまう。ポニョがいなくなり、宗介は悲しみにくれる。
一方ポニョも海底で宗介のことを思っていた。ポニョは宗介のところへ戻りたい、そして人間の女の子になりたいと、強く願うのだった。その強い思いから、ポニョは妹たちの力を借りて、フジモトが長年蓄えていた魔法の力を盗み、人間の女の子となってふたたび宗介のいる人間の世界を目指す。
ところが、ポニョが魔法の力を盗み出したおかげで海は大荒れ。宗介たちの町は大波に襲われ避難を余儀なくされていた。宗介とリサも慌てて崖の上の家に戻ろうとするが、その帰路不思議な光景に出合う……。