在海豹镇长和企鹅教授的宣传带领下，海底社会认同了“外星人有害论”的观点。小潜艇阿力偶然遇到来地球游玩却和父母走散的小外星人Wugu，通过了解，阿力发现外星人不但不危险，还很友好。为了帮助Wugu找到父母，阿力和朋友贝贝踏上了冒险的旅程……
世界各地接连出现神秘海怪毁坏商船事件，引发恐慌，传言海洋面临 灾难。潜艇阿力决定集结伙伴追踪“海怪”，却发现“海怪”是 一 艘 以 “环保”为借口来开展邪恶计划的科技潜艇。为了解开这些 谜团，阿力和朋友们利用所学知识，开始了海底两万里的漫游探险。
小潜艇阿力前往海底深处执行任务，遭遇史无前例的意外事件。小鲨鱼梅莎拒绝成为爸爸独眼鲨那样鱼见鱼怕的海底霸王，内心幻想成为小潜艇阿力一样的海底英雄。她无意之中得到的神秘宝盒，却把爸爸独眼鲨变回了童年的模样。当宝盒离奇失踪后，海底游乐场惊现神秘大怪物……为探寻谜底拯救海底世界，小潜艇带着超萌小动物...
300年前，沿海居民不堪忍受外来殖民侵略者的压迫与搜刮，组成海盗与殖民者作战。海盗们将殖民者的财宝抢来埋藏在一片神秘海域，传说堆积如山的财宝光芒闪耀，变成美丽的彩虹，从此海盗和他们的宝藏以彩虹而闻名。自称彩虹海盗后人的海狸波波（谢元真 配音）将传说编成故事说给海底居民们听，结果引来了寻找财宝不成...
《潜艇总动员3:彩虹海盗》概括:科研潜艇阿力，为寻找传说中的彩虹宝藏，和他的伙伴们一起快乐出发，在神奇快乐的海底世界寻宝。寻宝过程中，他们收获了比宝藏更有价值的东西--朋友之间的友谊和旅途中成长的快乐，以及金钱无法替代的美好。
