Una sorta di bambina-pesce fugge dalla sua casa in fondo al mare a bordo di una medusa e finisce su una spiaggia dove viene salvata da un bambino di nome Sōsuke, che la battezza Ponyo, senza sapere che il suo vero nome è, invece, Brunilde. Fujimoto, il padre di Ponyo, la costringe a ritornare a casa, ma lei gli confessa che vuole diventare umana perché si è innamorata di Sōsuke.
In assenza del padre, Ponyo riesce con una magia a diventare umana, ma in questo modo rompe l'equilibrio del mondo e causa un terribile tsunami che si abbatte sul luogo dove vive Sōsuke. Ponyo e Sōsuke si ricongiungono, mentre Risa, la madre di Sōsuke, incontra Gran Mammare, la madre di Ponyo. Avvengono altri sconvolgimenti causati dalla magia di Ponyo e Gran Mammare rivela a Risa che se i due bambini riusciranno a superare una prova, Ponyo potrà restare umana e l'equilibrio del mondo verrà ristabilito.