Sôsuke est un petit garçon qui habite avec sa mère dans un phare en l'absence de son père parti pêcher. Il recueille un jour un curieux poisson en jouant sur la plage. Ce poisson au visage humanoïde, c'est Ponyo, la fille d'un sorcier et de la déesse des mers.
Au contact du garçon, Ponyo va se transformer en petite fille et vivre avec lui des aventures extraordinaire, alors qu'une formidable tempête éclate.