Beim Spielen am Strand findet der Junge Sosuke ein Goldfischmädchen, das aus seinem Zuhause ausgerissen ist. Er nennt es Ponyo und nimmt es in einem Eimer mit. Aber da sie kein einfacher Goldfisch ist, sondern Magie besitzt, kann ihr Vater Fujimoto sie nicht bei den Menschen lassen und holt sie wieder zurück in seine Unterwasserstation zu ihren Geschwistern.
Doch es ist bereits zu spät – Ponyo hat durch eine Wunde Sosukes Menschenblut getrunken und beginnt sich nun selbst in einen Menschen verwandeln. Unterstützt von ihren Geschwistern flieht sie und verwandelt sich mit Hilfe der Magie ihres Vaters vollständig in einen Menschen. So macht sie sich auf die Suche nach Sosuke.
Dieser hat sich nur schwer mit Ponyos Verschwinden abgefunden und Trost bei seiner Mutter Risa und in den Lichtsignalen seines Vaters, der auf einem Schiff arbeitet und so Kontakt mit seiner Familie hält, gefunden. Als er jedoch mit seiner Mutter wieder auf dem Heimweg von dem Altenheim ist, in dem sie arbeitet, werden sie vom Sturm überrascht.
Durch Ponyos Verwandlung ist das Gleichgewicht der Erde gestört worden und alles versinkt im Chaos. Dennoch schaffen die beiden es nach Hause und treffen dort auf Ponyo, in der Sosuke das Goldfischmädchen erkennt.
Nachdem sie die beiden Kinder versorgt hat, bricht Risa wieder auf um nach den Leuten im Altenheim zu sehen. Über Nacht beruhigt sich das Meer zwar wieder, aber alles ist überschwemmt und so machen sich Sosuke und Ponyo in einem Boot auf zum Altenheim.
In der Zwischenzeit hat sich Fujimoto mit Ponyos Mutter, einer Göttin, beraten und gemeinsam brechen sie auf um Ponyo zu finden und das Gleichgewicht der Erde wiederherzustellen. Aber ob Ponyo als Mensch bei Sosuke bleiben kann, hängt alleine davon ab, wie sehr er sie liebt.