住在海边悬崖幼儿园“向日葵园”的5岁男孩宗介，在涨潮的岩滩捡到一个被玻璃瓶困住的小金鱼，并为她取名“波妞”。宗介划破手指后，波妞舔到他的血，从此体内有了“人气”。

波妞是“海洋之母”曼玛莲与曾是人类的魔法师藤本的女儿。藤本厌恶人类对海洋的污染，强行把波妞带回海底。思念宗介的波妞在妹妹们帮助下偷走父亲的“生命之水”，引发海啸与巨型鱼群，海水暴涨、小镇顷刻被淹。

波妞踩着浪花奔向悬崖上的宗介，两人乘玩具船在淹没的小镇寻找宗介妈妈理莎。最终曼玛莲提出考验：若宗介的“爱”始终不变，波妞便可永远为人；若感情动摇，她将化作泡沫。宗介坚定回答“我会永远保护波妞”，于是波妞失去魔法，成为真正的人类女孩，与宗介一家生活在一起。

全片约17万张手绘分镜，是《千与千寻》的1.5倍，刻意弱化数字特效，追求“铅笔在纸上跳动”的童趣；角色原型来自宫崎骏儿子宫崎吾朗5岁时的样子与作画监督近藤胜也的女儿。

没有宏大的史诗，却用孩子的一句“我会保护你”让海啸平息——这就是《悬崖上的金鱼公主》最纯粹的魔法：纯真可以拯救世界。

配乐由久石让创作，主题曲《崖上的波妞》采用儿童轮唱，朗朗上口。