Barbie et ses soeurs rendent visite à leur ami Ken, stagiaire dans un centre de recherche sous-marine. Tandis qu'elles explorent un magnifique récif de corail, elles découvrent des dauphins arc-en-ciel, visibles une fois par an seulement. Motivées à en savoir davantage, elles rencontrent Isla, une mystérieuse et charismatique jeune fille, dotée d'une connexion rare avec ces dauphins et soucieuse de les préserver. Isla se lie d'amitié avec Barbie et lui révèle sa vraie nature : elle est une sirène enchantée. Lorsque Barbie découvre que le directeur du centre capture les mammifères marins pour les revendre comme attraction à des cirques, elle fait équipe avec Isla, ses soeurs, Ken, les chiots ainsi que les dauphins pour contrer ces funestes projets...