La Petite Nemo et le Monde des rêves transporte les spectateurs dans un nouvel univers magique, un monde onirique où la jeune Nemo (Marlow Barkley) et son excentrique compagnon Flip (Jason Momoa) se lancent dans une aventure hors du commun. Après la soudaine disparition en mer de son père Peter (Kyle Chandler), la douce vie de Nemo dans le Nord-Ouest Pacifique est bouleversée lorsqu'elle est forcée d'aller vivre en ville avec son oncle Philip (Chris O'Dowd) bien intentionné, quoique profondément maladroit. Pendant la journée, Nemo peine à s'habituer à sa nouvelle école et sa nouvelle routine. Mais la nuit, une carte secrète menant au fantastique Monde des rêves la relie à Flip, un hors-la-loi plutôt bourru, mais fort sympathique, qui devient rapidement son partenaire et son guide. Flip et Nemo se retrouvent très vite embarqués dans une incroyable aventure, traversant les rêves et fuyant les cauchemars. Nemo reprend alors espoir d'être de nouveau réunie avec son père.