먼 옛날 깊은 바다 속
바다의 제왕 트라이튼의 여섯 번째 공주의 탄생을 축하하는 파티가 한창이다.
파티가 무르익어 갈 즈음, 바다마녀의 침입으로 파티장은 아수라장이 된다.
싸움이 계속되면서 바다마녀는 수세에 몰리게 되자, 어린 공주에게 저주를 퍼붓고 도망을 친다. “20살이 되기 전에 물 밖으로 나가면 물거품이 되어 죽을 것이다” 라는 저주를.......
마녀의 저주에 걱정하던 왕은 공주가 절대 물 밖으로 나가지 못하게 하라는 명령을 내린다.

18년 후.
언제나 갑갑한 궁궐을 몰래 빠져 나와 놀던 공주와 딸꾹이는 아버지에게 들키고 만다. 심하게 꾸중을 듣던 공주는 아버지에게 물밖에 나가 노래할 수 있게 해달라고 간청을 한다. 마녀의 저주를 두려워하던 아버지는 공주의 부탁을 매몰차게 거절한다. 인간 세상에 대한 호기심이 가득한 공주는 다른 언니들과 차별 대우를 하는 아버지를 원망하게 된다. 아버지에게 화가 난 공주는 아버지 몰래 물 밖으로 나간다.

물 밖으로 나온 공주는
길을 잃고 떠도는 펭귄 치치를 만나고, 같이 모험을 하기로 약속한다.
해가 지고 바다엔 배 한 척이 나타난다. 배에서는 흥겨운 음악 소리와 함께 불꽃놀이를 하고 있다. 호기심에 찬 공주는 배 가까이 다가간다.
배에는 자신의 결혼 상대를 찾아 여행을 다니는 레오 왕자가 타고 있었는데, 공주는 한눈에 반한다. 그때 바다 폭풍이 몰려와 배가 난파되고 공주는 물에 빠진 왕자를 구한 후 왕자를 위해 노래를 부른다. 왕자 일행들의 출현에 공주는 몸을 숨긴다. 잠에서 깨어난 왕자는 공주의 목소리에 반하고 그녀를 반드시 찾기로 결심을 한다.

사랑에 빠진 공주에게
마녀의 부하들이 접근하고 공주를 꼬드겨 마녀에게로 데려 간다. 왕에 대한 복수와 바다를 손에 넣을 야심에 차있는 바다마녀는 공주에게 목소리를 주면 인간이 되게 해주겠다고 말한다. 하지만 약을 먹고 인간이 된 후, 사흘 동안 왕자가 공주를 사랑하면 공주는 영원한 인간으로 살지만 그렇지 못하면 공주는 물거품이 되고 만다.

자신을 구해준 여인을 찾기 위해
무도회를 연 왕자는 공주를 만나게 되지만 말을 못하게 된 공주를 알아보지 못한다. 점점 공주의 순수한 모습을 사랑하게 된 왕자는 더 이상 신비의 여인을 기다리지 않고 공주와 결혼하기로 결심한다. 자신의 계획이 틀어진 바다마녀는 인간의 모습을 하고 공주의 목소리를 이용해 왕자에게 접근하여 마음을 빼앗는다. 왕자는 마녀와의 결혼을 발표한다.

이 사실에 절망하는 공주, 딸꾹이와 치치도 절망에 빠진다.
딸꾹이는 이 사실을 바다의 왕에게 알리고 언니 인어들은 공주를 구하기 위해 자신의 머리칼을 구름 요정에게 팔아 마법의 칼을 가지고 온다. 언니들은 왕자를 죽이면 다시 인어가 될 수 있다고 말하고 공주에게 왕자를 죽이라고 말한다. 왕자를 너무나 사랑하는 공주는 칼을 바다에 버린다. 한편 공주를 찾던 치치와 딸꾹이는 왕자와 결혼하는 여인이 바다마녀임을 알게 된다.

결혼식이 진행되는 중간에
공주와 치치, 딸꾹이가 마녀에게 도전하고, 공주는 친구들의 도움을 받아 목소리를 되찾게 되지만, 결국 약속한 사흘이 지나고 공주는 서서히 죽어간다.
모든 사실을 알게 된 왕자는 마녀와 최후의 결투를 한다. 마녀의 공격을 온 몸으로 막아 위험에 처한 왕자를 구한 공주는 죽게 된다. 왕자는 마녀를 무찌르고 바다는 평화를 되찾지만 공주는 시체가 되어 있다. 공주를 안고 슬퍼하던 왕자는 공주에게 입맞춤을 하고 공주는 되살아난다.

많은 사람들과 인어들의 축복 속에 왕자와 공주의 성대한 결혼식이 거행된다.