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.
Au début de la dynastie Joseon, une baleine avale un navire et tout son trésor dont le Sceau officiel de l'Empereur apporté à Joseon par des envoyés de la Chine. Attirés par la forte récompense offerte à quiconque ramènera le sceau royal, les bandits montagnards dirigés par Jang Sa-Jung prennent la mer à la poursuite de la baleine. Mais ils affrontent rapidement l'équipage de pirates de la capitaine Yeo-Wol, et des aventures inattendues s'ensuivent.
À l'hôpital Clearwater en Floride, Winter coule des jours heureux depuis qu'elle a sa prothèse de queue. Sa notoriété a fait grimper la fréquentation de l'établissement qui s'est agrandi et prévoit d'avoir prochainement ses propres scanners et salles d'opération. Sawyer Nelson (le jeune héros du premier volet) et Hazel Haskett (la fille du vétérinaire et directeur de l'hôpital Clay Haskett) y travaillent (malgré leur jeune âge) en tant que bénévoles avec d'autres adultes.
Le documentaire se concentre sur la captivité de l'orque Tilikum, responsable de la mort de trois personnes, et des conséquences de la captivité sur ces cétacés.
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.