En 1850, l'écrivain Herman Melville rend visite à l'aubergiste Thomas Nickerson , le dernier survivant du baleinier Essex. En se basant sur le récit de ce dernier, Melville veut construire un roman qui le consacrera. Mais Nickerson est encore traumatisé par ce qu'il a vécu et n'a jamais voulu se livrer jusqu'ici. Le romancier insiste et lui offre de l'argent, que l'ancien marin refuse avant de finalement accepter sur l'intervention de sa femme.
Ali (Matthias Schoenaerts), jeune marginal sans le sou, part de Belgique en train avec son jeune fils Sam, pour se rendre à Antibes, chez sa sœur Anna (Corinne Masiero), caissière de supermarché. Richard (Jean-Michel Correia), le compagnon d'Anna, chauffeur de poids lourd, vient les chercher avec sa camionnette. Anna l'héberge dans le garage du pavillon. Anna récupère sur son lieu de travail des produits frais périmés qui sont jetés. Ali trouve un emploi de vigile. Une nuit où il travaille comme videur dans une boîte de nuit, il vient au secours de Stéphanie (Marion Cotillard) à l'extérieur de la boîte. Comme elle n'est pas en état de conduire, il la reconduit chez elle et lui laisse son numéro de téléphone portable.
Octobre 1988, à Barrow, une petite ville de l'Alaska. Adam Carlson est un journaliste d'une chaîne de télévision locale. Un jour, alors qu'il tourne un reportage, il remarque que trois baleines grises de Californie sont prises au piège dans les glaces de l'Arctique. La situation est critique, et elles risquent de mourir si elles ne rejoignent pas la mer. Son reportage sur les baleines remporte un vif intérêt aux États-Unis et dans le monde. Ayant vu le reportage, Rachel Kramer, militante de Greenpeace et ancienne petite amie d'Adam, se propose pour venir en aide aux trois mammifères marins.
Sawyer Nelson (Nathan Gamble) est un jeune garçon solitaire de 11 ans qui vit avec sa mère depuis le départ de son père cinq ans auparavant. Son seul ami est son cousin Kyle, plus âgé que lui. Kyle est un excellent nageur et envisage de se présenter aux Jeux Olympiques de natation. Mais, n'ayant pas les moyens de payer ses études universitaires, il s'engage dans l'armée.
Kirra Cooper se voit contre son gré obligée de quitter l'Australie pour rejoindre son grand-père en Afrique du Sud. Là-bas, elle découvre un bébé orque, échoué dans un lagon proche du parc d’attraction de son grand-père. Elle le nomme “Willy” et décide d’aider l'orque à retrouver son groupe. Cependant, un rival de son grand-père veut capturer l'animal pour en faire un spectacle très lucratif dans son parc concurrent.
1969, 80 km dans les eaux soviétiques. Le sous-marin USS Acushnet est en mission de reconnaissance quand il se fait attaquer par Moby Dick, une baleine de 150 mètres de long tout droit sortie de la préhistoire. Deux survivants sont connus: Boomer et son ami John Achab, qui fut le premier à détecter le monstre. L'attaque laissera des séquelles, Boomer ayant perdu l'usage de sa main droite, et Achab ayant perdu sa jambe. 40 ans plus tard, le Commandant Achab, aux commandes du dernier-né de la classe Virginia, l'USS Pequod, dont il a supervisé les modifications, décide de prendre sa revanche. Cessant toute communications avec l'Amiral De Deers, Chef d'état-major de la Troisième Flotte américaine — qui envoie Boomer, devenu Capitaine, pour l'arrêter — il poursuit Moby Dick à la trace de ses attaques et force une biologiste, le Docteur Michelle Herman, et son assistant, Pip, à l'aider à la retrouver afin de mettre un terme définitif à ses attaques…
Le film suit les pérégrinations de Ric O'Barry, ancien dresseur de dauphins devenu activiste, qui enquête sur la chasse au dauphin à Taiji (Wakayama) au Japon.
Alyssa, une jeune fille de 14 ans, a perdu sa mère. Elle vit depuis un an chez sa grand-mère mais est envoyée chez son père Hawk, dont elle ignorait l'existence. Ce dernier est un chercheur et s'occupe d'une réserve naturelle de dauphins dans les Bahamas. L'arrivée d'Alyssa tombe on ne peut plus mal pour celui-ci : il doit défendre son centre de recherche contre des politiciens véreux voulant faire un parc d'attractions touristique, et a quelques difficultés à communiquer avec sa fille.
Sous la poussée de forces invisibles, la banquise se brise. Les bœufs musqués courbent l'échine sous le blizzard. Les caribous galopent par milliers dans la toundra. Les ours blancs se défient. Les baleines boréales défoncent la banquise. Le narval dresse hors de l'eau son incroyable dent torsadée.
Né dans une colonie de manchots qui trouvent l'âme sœur en chantant, Mumble a un handicap : il ne peut sortir une note juste. Il fait en revanche des claquettes comme personne. Banni par les siens à cause de sa différence, Mumble part en Terre Adélie.
Dans le sud du Sahara, près d'un village dévasté par la famine et la pénurie d'eau potable, une petite fille revient chez elle avec son seau d'eau. Mais par accident elle renverse le seau, dont la précieuse eau se répand sur le sol. Il lui semble alors voir apparaître en l'air l'œil d'une gigantesque créature, une baleine. En versant pour elle la dernière goutte d'eau, la créature prend forme et sillonne le ciel, redonnant vie au paysage qui verdit et se repeuple d'animaux. La petite fille, entraînée sur le dos de la baleine, monte jusqu'au ciel où elle voit bondir dans les nuages des troupeaux d'animaux africains, girafes, éléphants, rhinocéros, gazelles. La baleine redescend progressivement, puis disparaît, laissant de nouveau place au soleil aveuglant sur la steppe aride. Ce n'était qu'une apparition. La petite fille ramasse son seau vide et poursuit son trajet dans la steppe, où se dessine en creux l'image du corps d'une baleine.
C'est l'histoire de Nishi, un râté amoureux de son amie d'enfance. Après une rencontre avec la mafia japonaise, Nishi fait un aller-retour au paradis avant de se retrouver piégé dans un endroit plus invraisemblable encore.
Ce film est une évocation du personnage d'Achab issu du roman d'Herman Melville : Moby Dick. Dans ce film, Achab est amoureux de Louise. L'image du corps de cette femme, objet de son désir, le hante jusque dans ses rêves, y devenant représentation du fantasme de la baleine.
Paikea nait le jour de la mort de sa mère, qui emporte avec elle le jumeau de Pai, qui porte le prénom d'un ancêtre des Maoris, venu de la mer à dos de baleine. Selon la coutume maori, c'est le premier descendant mâle de la famille qui prend la tête du clan. Or, le seul descendant de la famille est Paikea, une fille, ce qui représente une immense déception pour son grand-père.
Cinquante-huit ans après Fantasia, ce film est composé de huit séquences illustrant huit morceaux de musique classique, interprétés pour la plupart par l'Orchestre symphonique de Chicago sous la direction de James Levine. Chaque séquence est précédée d'une courte présentation par des artistes ayant travaillé pour les studios Disney.