Barbie: Denizkızı Hikayesi, sörfe meraklı Merliah'ın bir gün öğrendiği büyük bir sırla başlar: O, aslında bir deniz kızıdır. Filmin konusu özetle şu şekildedir: Merliah, saçları deniz suyundan pembeye dönünce su altında nefes alabildiğini keşfeder. Büyükbabası ona, annesinin bir deniz kızı olduğunu ve babasının bir insan olduğunu anlatır. Merliah, annesini kötü kalpli teyzesi Eris'in elinden kurtarmak için Oceana'ya gider. Kaderinin deniz kızlarına göre Eris'in yenilgisini öngören ilahi deniz kızları, Merliah'a yardım eder. Merliah, Eris'in sahip olduğu gök tarağı, rüya gören balık ve koruyucu kolyeyi bulur. Eris, Merliah'ı insan durumunda bulup onu okyanustan uzaklaştırmak için bir girdap yaratır. Merliah, annesi Calissa'yı serbest bırakır ve zarar görmüş krallığı onarır. Merliah, bir deniz kızı ve bir insan olarak yaşayabileceği bir kolye ile büyükbabasıyla birlikte Malibu'ya döner ve sörf yarışmasını kazanır.
