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Tra gli anni '50 e gli anni '60, Luca Paguro è un timido mostro marino preadolescente che vive sul fondo del Mar Ligure, vicino alla cittadina di Portorosso, che trascorre le sue giornate come pastore, radunando banchi di triglie. I suoi genitori, Daniela e Lorenzo, gli proibiscono di risalire in superficie in quanto temono che gli umani possano dargli la caccia. Un giorno, Luca incontra un altro giovane mostro marino di nome Alberto Scorfano, che vive da solo sulla terra dato che suo padre non è molto presente. Alberto incoraggia Luca ad avventurarsi fuori dall'acqua del mare, mostrandogli che i mostri marini possono trasformarsi in umani quando si asciugano sulla terra, ma tornano alla loro vera forma quando bagnati. Luca segue Alberto verso il suo nascondiglio, una piccola torre in un isolotto piena di oggetti da collezione, anche se i genitori non erano d'accordo. Qui Luca trova un manifesto che mostra una Vespa, e i due decidono di passare i giorni seguenti a improvvisarne una da zero, mentre Luca tenta di mantenere la sua doppia vita nascosta ai suoi genitori, parlandone soltanto con la nonna, che mantiene il suo segreto.

Presto, tuttavia, Lorenzo e Daniela scoprono cosa sta facendo Luca e decidono di mandare il figlio più in profondità nell'oceano da suo zio Ugo, il fratello di Lorenzo. Sconvolto, Luca scappa in superficie con Alberto e insieme si recano a Portorosso, un tipico villaggio di case colorate della costa ligure, dove presto attirano l'ira di Ercole Visconti, pluricampione della Portorosso Cup e bullo locale. Proprio mentre Ercole sta per immergere la testa di Luca in una fontana, i due vengono salvati da una ragazza di nome Giulia Marcovaldo, che li porta a casa sua dove vive con il padre Massimo, un pescatore esperto che sta cercando da anni di uccidere un mostro marino, poiché ne ha grande paura. Intanto, Daniela e Lorenzo, non riuscendo a trovare Luca da nessuna parte, decidono di risalire in superficie per cercarlo.

Luca, Alberto e Giulia decidono di partecipare alla Portorosso Cup nella speranza di vincere una Vespa. La gara di triathlon consiste in tre sfide: nuotare, mangiare un piatto di pasta e andare in bicicletta per i vicoli della città. I tre decidono di dividersi le sfide: Giulia si incarica di nuotare, Alberto di mangiare la pasta e Luca di andare in bicicletta. Con il tempo, Ercole inizia a diffidare dei ragazzi e Luca e Giulia iniziano ad avvicinarsi di più. Quando Giulia racconta della sua scuola a Genova, dove risiede con la madre, Luca inizia a interessarsi all'argomento. Geloso, Alberto fa cadere entrambi in mare aperto. Usciti dall'acqua, dopo una discussione, Alberto rivela la sua identità a Giulia appena Luca dice di volere andare a scuola con lei. In quel momento, Ercole attacca Alberto insieme ai suoi compari Ciccio e Guido, mentre Luca finge di essere sorpreso e, per non perdere Giulia, addita l'amico come un mostro. Sentendosi tradito, Alberto si ritira nel suo nascondiglio.

Tornata a casa, Giulia versa dell'acqua su Luca, rivelando la sua identità di mostro marino, ma, invece di giudicarlo, si dimostra preoccupata che qualcuno possa fargli del male se mai venisse scoperto e lo manda via. Luca ritrova Alberto nel suo nascondiglio, il quale gli rivela che in realtà ha vissuto da solo da quando il padre lo ha abbandonato. I due si riconciliano e Luca decide di partecipare comunque alla Portorosso Cup in nome della loro amicizia. Il giorno stabilito, Luca e Giulia partecipano alla gara senza Alberto. Dopo aver completato due delle sfide, iniziano la corsa in bicicletta. A un certo punto inizia a piovere e Luca cerca di evitare di trasformarsi di nuovo in mostro marino indossando uno scolapasta. Alberto cerca di aiutare Luca, ma si trasforma venendo bagnato dalla pioggia ed Ercole gli tira addosso una rete; anche sapendo che il suo segreto verrebbe svelato, Luca corre sotto la pioggia per salvare l'amico. Giulia colpisce Ercole per impedirgli di ferirli, ma finisce per farsi male, e Luca e Alberto la riportano in città. Ercole però li raggiunge e cerca di uccidere Luca con una lancia, ma Luca lo respinge difendendosi; questo fa capire agli abitanti di Portorosso che i mostri marini non sono poi così pericolosi, soprattutto Massimo, che ringrazia i ragazzi per aver aiutato la figlia. Poco dopo, anche altri mostri marini, travestiti, si rivelano, inclusa la famiglia di Luca, e i cittadini li accolgono con gioia. Quando Ercole si rifiuta di accettare i cambiamenti, i suoi stessi scagnozzi Ciccio e Guido lo gettano nella fontana, stufi dei suoi abusi.

Luca riabbraccia i genitori, festeggiando a casa di Giulia. Alberto rivela in seguito di aver venduto la Vespa che lui e Luca avevano vinto nella gara per comprare un biglietto a Luca in modo che possa andare a scuola con Giulia. Il film si conclude con la famiglia di Luca, Massimo e Alberto (che ha deciso di restare a Portorosso per aiutare Massimo) che salutano Luca e Giulia mentre lasciano la stazione ferroviaria, in attesa di rivederli l'estate successiva.

Durante i titoli di coda, si vedono alcune immagini delle esperienze future che farAnno i protagonisti in seguito agli eventi del film: Luca incontra la madre di Giulia e frequenta la scuola, mostrando il suo aspetto di mostro marino; insieme a Giulia, guarda in televisione gli uomini camminare sulla Luna per la prima volta; Massimo diventa il padre adottivo di Alberto, e la famiglia di Alberto e Luca inizia a interagire con gli umani a Portorosso. In una scena dopo i titoli di coda, invece, lo zio Ugo conversa con una piccola triglia riguardo a quanto sia meravigliosa la sua vita nelle profondità dell'oceano.