귀엽고 사랑스러운 소녀와 무리를 빠져나온 어린 고래의 사랑과 우정! 사랑스런 꼬마 숙녀 키라(빈디 어윈)는 여름을 맞아 고향 호주를 떠나 남아프리카의 할아버지를 방문한다. 바닷가 근처에서 다 쓰러져가는 놀이공원을 운영하고 있는 할아버지 거스 그리스비(보 브리지스)와 손녀딸 키라의 여름이 시작된다. 어느 날 폭풍우가 치던 날 밤 바다 속에서 길을 잃은 돌고래들이 얕은 바다까지 밀려오게 되고 그 중 아기 고래 한 마리가 남게 된다. 키라는 이 아기 고래에게 ‘윌리’란 이름을 붙여 주고 둘은 둘도 없는 친구가 된다. 한편 할아버지는 윌리를 이용해 ‘윌리와 해적’ ‘돌고래 쇼’ 등을 이용하여 본격적인 돈벌이에 나서며 놀이 동산을 운영해 나간다. 많은 사람들은 아기 돌고래 윌리가 보여주는 쇼에 환호한다. 하지만 비싼 갚에 윌리를 팔아 넘기려는 업자들의 음모가 생겨나고, 할아버지는 고민에 빠진다. 자신의 가장 친한 친구인 윌리의 아픔을 지켜볼 수만은 없다고 생각한 키라는 윌리를 탈출 시킬 계획을 세우게 된다. 어린 키라는 돌고래를 다시 가족과 친구들의 품으로 돌아갈 수 있도록 위대한 작전을 계시한다.