نهنگ گمشده درباره ریو پسربچه ای یازده ساله است که در لندن با مادرش زندگی می کند. او باوجود سن کم مسئولیت های زیادی در زندگی داشته است. مادرش بیماری افسردگی دارد و ریو تمام تلاشش را می کند تا مراقب او باشد. هنگامی که مادرش برای درمان در بیمارستان بستری می شود، او به یک شهر ساحلی کوچک در کالیفرنیا فرستاده می شود تا با مادربزرگش زندگی کند. ریو قرار است که تنها چهار هفته در این شهر باشد. این شهر کوچک یک نقطه توریستی برای تماشای نهنگ ها است و توریست ها از سراسر دنیا به آنجا می آیند تا در فصل مهاجرت نهنگ ها آن ها را از نزدیک ببینند. ریو مادربزرگش را تنها یک بار در کودکی دیده و علاقه ای به برقراری ارتباط با او ندارد. یک روز مادربزرگ جعبه ای به او می دهد که متعلق به مادرش بوده و وقتی ریو به اشیای داخل جعبه نگاه می کند، دفتری با طرحهای بسیار زیادی از یک نهنگ پیدا می کند. این موضوع او را به سمت دریا و ملاقاتی تصادفی با مارینا، دختری هم سن و سال خود که با پدرش روی قایق زندگی می کند، هدایت می کند. ریو احساس می کند اگر این نهنگ را پیدا کند به بهبودی مادرش کمک می کند. او به زودی متوجه می شود که به نهنگ ها علاقه دارد و می تواند صدای آن ها را بشنود؛ توانایی که دیگر انسان ها از آن بی بهره اند.