• Ellen DeGeneres vai Dory, một con cá đuôi gai xanh Thái Bình Dương.[14]
• Albert Brooks vai Marlin, một con cá hề ocellaris, bố của Nemo và cũng là bạn của Dory.[14]
• Hayden Rolence vai Nemo, con trai của cá hề ocellaris Marlin.
• Diane Keaton vai Jenny, mẹ Dory.[14]
• Eugene Levy vai Charlie, bố Dory.[14]
• Kaitlin Olson vai Destiny, một con cá nhám voi bị cận thị, là bạn thuở nhỏ của Dory.[15][16]
• Dominic West vai Rudder, một con sư tử biển California cũng là bạn của Fluke.[17]
• Idris Elba vai Fluke, một con sư tử biển California cũng là bạn của Rudder.[17]
• Ed O'Neill vai Hank, một con bạch tuộc đỏ Đông Thái Bình Dương nóng tính có bảy xúc tu.[10]
• Ty Burrell vai Bailey, một con cá voi trắng bị tạm thời mất khả năng định vị bằng sóng âm do bị thương.[14]
• Bob Peterson vai Mr. Ray, một chú cá ó sao, là thầy của Nemo.
• Andrew Stanton vai Crush, một con đồi mồi dứa sống ở dòng Hải lưu phía Đông nước Úc.
• Sigourney Weaver vai chính mình, người thông báo cho các tin nhắn được ghi lại được phát qua hệ thống truyền thanh công cộng của viện
• Bill Hader vai Stan, một con cá vược cỏ và là chồng của Inez
• Kate McKinnon vai Inez, vợ của Stan
• Alexander Gould vai Passenger Carl, tài xế xe tải giao hàng cho viện. Gould đã từng lồng tiếng cho Nemo trong Đi tìm Nemo
• Torbin Xan Bullock vai Gerald, một con sư tử biển California muốn nằm trên tảng đá do Fluke và Rudder chiếm giữ chỉ để bị từ chối liên tục
• Gabriel C. Brown vai Becky, một con chim lặn giúp đỡ Marlin và Nemo
• Katherine Ringgold vai Kathy, một con cá kỳ lân mũi to
• Bennett Dammann vai Squirt, con trai của Crush
• John Ratzenberger vai Husband Crab (Bill)
• Angus MacLane vai Cá mặt trăng "Charlie Back-and-Forth"
• Willem Dafoe vai Gill, một con cá thù lù và là thủ lĩnh của hội bể cá (Tank gang), bạn trong bể của Nemo trong phim trước[18]
• Vicki Lewis vai Deb (và chị gái cô, "Flo", ảnh phản chiếu của Deb), một con cá thia đá bốn sọc, một người bạn trong bể của Nemo trong phim trước.[19][20]
• Brad Garrett vai Bloat, một chú cá nóc, thành viên của hội bể cá.
• Allison Janney vai Peach, một chú sao biển màu hồng, thành viên hộ bể cá.
• Austin Pendleton vai Gurgle, một chú cá gramma hoàng gia, thành viên hội bể cá.
• Stephen Root vai Bubbles, a chú cá đuôi gai vàng, thành viên hội bể cá.
• Jerome Ranft vai Jacques, một chú tôm bác sĩ, thành viên hội bể cá.

Hãng thông báo rằng Nemo và cả "hội bể cá" sẽ trở lại cũng như những nhân vật được khán giả để ý khác trong phim trước.[21] Tuy nhiên, chưa biết rằng liệu chú tôm Pháp Jacques có xuất hiện trong phần tiếp theo hay không bởi vì diễn viên lồng tiếng của nhân vật này, Joe Ranft, đã qua đời trong một vụ tai nạn xe hơi ngày 16 tháng 8 năm 2005 trong khi đang sản xuất phim Cars. Cũng chưa biết rằng liệu diễn viên lồng tiếng cho nhân vật Nemo, Alexander Gould, có tiếp tục lồng tiếng cho nhân vật này hay không bởi vì cậu chỉ mới 9 tuổi khi đang sản xuất bộ phim trước, và giọng của cậu cũng đã thay dổi nhiều, trầm dần theo thời gian.[22][23]