在宁静的海边小镇，一位名叫陆凡的年轻画家过着平淡的生活。某日暴风雨后，他在海滩发现一位受伤昏迷的美丽女子，将她带回家中照料。女子苏醒后自称小渔，却对自己的来历含糊其辞。陆凡注意到小渔对水有着异乎寻常的亲近，且每当月圆之夜便会神秘消失。随着时间的推移，两人在朝夕相处中产生了微妙的情感。陆凡为小渔创作了一系列画作，画中的她总是与大海融为一体。然而，小渔的真实身份逐渐显露——她其实是海洋王国的人鱼公主，为逃避政治联姻而来到人类世界。海洋族规严禁人鱼与人类相恋，违者将面临严厉惩罚。与此同时，陆凡的前女友、海洋生物学家林薇察觉到了小渔的异常。在调查过程中，她发现了人鱼存在的证据，并计划公之于众。小渔的族人也在寻找她的下落，试图将她带回深海完成婚约。面对来自人类和海洋的双重压力，陆凡和小渔的爱情面临严峻考验。在最后的月圆之夜，小渔必须做出选择：是永远离开陆凡返回海洋，还是放弃人鱼身份留在人间。而陆凡也决心不惜一切代价保护所爱之人，哪怕这意味着要与整个海洋世界为敌。这场跨越种族的爱恋，最终在月光下的海滩迎来了震撼人心的结局。