海洋生物調査船ペペロンチーノ号に乗って幻のヒカリクジラを探す旅を続けているスコットと娘のナナミ、そして船員のアルとシャチのティコ。ある日、サンフランシスコ沖にホオジロザメが現れる・・・。

ナナミたちに助けられたシェリルはペペロンチーノ号に乗せてもらおうとするが、逃げられてしまう。アルとナナミは大量に捕れたカニを売るためにバハマに立ち寄る。

ペペロンチーノ号にシェリルと執事のジェームスが加わり旅を続けるナナミたち。退屈して双眼鏡を眺めていたシェリルは遠くに煙があがっているのを見つける・・・。

たくさんのギャングに襲われ、入り江に隠れるペペロンチーノ号。追われていた男は、ギャングの密輸を写真に撮ったカメラマンだった。

ナナミがギャングにさらわれてしまう。ギャング団の幹部メタルクローからナナミと証拠のフィルムを交換するように要求されるが、スコットはギャングの裏をかき、ナナミを救い出す作戦を実行しようとする。

嵐を乗り越えた翌日、ナナミたちは30メートル以上あるシロナガスクジラと出会う。ナナミはシロナガスクジラに刺さっていた調査銛を抜いてあげるが、そこへシロナガスクジラを追跡して調査船がやって来る。

アルに馬鹿にされて、スクイドボールを操縦しようと意地になるトーマスは、海底千メートルの深海に沈んでしまう。助ける手段が無くなり誰も救出できない状況になってしまう。

トーマスがペペロンチーノ号に加わり、アフリカのザイール川にやってきたナナミたち。アルとトーマスが水中で宝箱を発見するが、中身はほとんど入っていなかった。

寝ている間に大事なメダルをゲイルに奪われてしまったアルはペペロンチーノ号へ戻る。しかし、今度はシェリルとトーマスが宝を探しにペペロンチーノ号から消えてしまう。

ギャング団のメタルクローは、ナナミたちへの復讐のためペペロンチーノ号を追っていた。逃げ場を失ったナナミたちは、トーマスのアイディアで陸からティコを運ぶ事になる。

エーゲ海で豪華客船ゼメキス号と出会ったペペロンチーノ号。ナナミはゼメキス号に乗船するジョージ・タフトにパーティーに招待される。今までの生活では経験の無いことの連続で驚くナナミ。

ナナミはジョージから自分がマギーに似ている事や、娘を亡くした事故が原因で二人が離婚してしまうということを知った。ナナミはジョージ一家になんとか家族の絆を取り戻してもらいたいと願うが・・・。

アルは港町で水を含むといくらでも大きくなるという不思議なオモチャをたくさん買ってくる。次の町で売ると意気込むアルだったが突然ペペロンチーノ号のエンジンの調子が悪くなり配水管が壊れてしまう。

アルの故郷シチリア島にやってきたペペロンチーノ号。港まで出迎えに来てくれたアルの祖母ロザリンドはアルの帰りを喜んだ。シチリア島は島を観光地化する話が進んでいたが、他の住民が賛成する中、ロザリンドだけはその開発に反対していた。

ロザリンドの権利書を黙ってジョルディーノに渡してしまったエンリコ。ようやくジョルディーノの悪巧みに気づいた住民たちはなんとか開発業者の社長に権利書が渡るのを防ごうと作戦を立てる。

ナナミたちはサンゴの間を流れる海流で遊んでいると、ティコの様子がいつもと違うことに気づく。ティコに赤ちゃんが出来たことにナナミたちは大喜びするのだった。

ルコント博士の調査船スコーピオ号はペペロンチーノ号を見つけ出す。早速、GMCはスコットが持っているヒカリクジラの資料を渡すよう要求するが、スコットは何かの企みを感じて要求を断る。

ティコジュニアも無事に生まれ、ペペロンチーノ号はヒカリクジラをスコーピオ号から守るために北極海へ向かう。ドーバー海峡を抜けたところでペペロンチーノ号の前に大型帆船が現れた。その船にはシェリルの父メルビルが乗っていた。

メルビル財閥の北海油田にやってきたナナミたち。シェリルの父メルビルは油田責任者のフィリップとシェリルを婚約させようとする。

北極海を渡るためグリーンランドでペペロンチーノ号を改造することになった。ジュニアはティコと仲のいいナナミにやきもちを焼き、ナナミはジュニアと仲良くできないでいた。

北極の岬にたどり着いたナナミたちは突然ソリ犬を老人にけしかけられそうになる。老人はGMCにヒカリクジラのひげを盗まれたので、ナナミたちを警戒していたのだった。

光る氷山へ道案内をしてくれたトゥーピアと別れ、スコットたちは氷山を海底から調査し、海底であやしい亀裂を発見する。スコットたちを追っていたGMCの調査船も氷山の亀裂から調査を始めようとする。

氷山の中でヒカリクジラの骨を発見したスコットは伝説が真実であったことを喜ぶが、ルコントは生きたヒカリクジラが存在しない事を知り落胆する。

ティコが死に、一週間も海にも入らなくなり元気を無くすナナミ。スコットたちはナナミをなんとか元気づけようとするが、ナナミはどうしてもティコの事を考えてしまうのだった。

ナナミたちはナナミの母の生まれ育った島、日本へ行くことになった。スコットとナナミは母の故郷である瀬戸内海に、アルたちは東京見物へと向かう。

スコットとナナミは母の洋子が昔暮らしていた家を訪ねる。誰も住んでいないはずの家には、洋子の妹の渚がやって来ていた。母の写真さえ見たことの無いナナミはなかなか母を思い出せずにいた・・・。

海上でペペロンチーノ号を整備していると、突然エンジンの調子が悪くなり、動けなくなってしまった。修理に二日以上かかるので、停泊することになる。

マリアナ海溝にやってきたペペロンチーノ号。船上ではメルビル家の記念日のためにジェームスはタコ料理と伝統のイヤリングを用意していたが、シェリルは誤ってタコとイヤリングを海に落としてしまう。

食料の補給のため、ニューブリテン島にやって来たナナミたち。そこでナナミはケンカで一方的にやられているベンという少年を助けるが、ベンはあっという間にどこかに逃げてしまう。

ナナミたちはスコットが学会に出席するためオーストラリアにやって来た。散歩していたナナミとトーマスそしてアルはカモノハシの巣から卵を盗んでいる密漁団を見かける。

ナナミたちは、再会したゲイルと共にヒカリクジラを見たという噂があるコモロ諸島へ向かう。ナナミたちがゲイルの持っていた水上バイクで楽しんでいる姿を見て、シェリルも水上バイクに挑戦するがなかなか乗れずに失敗してしまう。

コモロ諸島に到着したナナミたちは、ゲイルの知り合いで酒場の主人であるアンジュアンと出会う。ナナミたちはヒカリクジラを見かけたという沖合のシーラカンスがいる海域を目指し出発する。

スコットがスクイドボールに乗り調査をしている時、ヒカリクジラの骨が光り海面がまぶしいほど光り出した。ナナミたちはペペロンチーノ号でその光を追うが・・・。

大王イカから逃れた後もスコットはスクイドボールで海底調査を続けていた。ついにスコットはヒカリクジラを見つけるが、スクイドボールがヒカリクジラを驚かせ逃げられてしまう。

ヒカリクジラを追い南極までやってきたペペロンチーノ号は食料や水がなくなり、調査を続ける事が難しくなる。何日も無理を続けたスコットはついに過労で倒れてしまう。

ようやくペペロンチーノ号の前に姿を現したヒカリクジラ。スコットは感動し、ヒカリクジラを眺めつづけていた。しかし、GMCも同じくヒカリクジラの場所を特定し、捕獲するためスコットたちの居る場所へ大型調査船を出航させていた。

ヒカリクジラを捕まえたGMCの大型調査船は、南極財団の観測基地にヒカリクジラを運び込む。スコットは観測基地に潜入し、ヒカリクジラを逃がそうとする。

GMCの狙いは、ヒカリクジラを利用し生物兵器を作り出す事だと知ったルコントは、スコットと共に協力し観測基地からヒカリクジラを助け出そうとする。

ヒカリクジラを無事助けだしたナナミたち。するとペペロンチーノ号の前に巨大な光の柱があらわれ、その柱からはナナミとティコにだけ聞こえる声がナナミを呼び続けるのだった・・・。