一次跟随父亲、继母和弟弟的海上旅行，成了参宿命运的转折点。当她独自站在甲板上望着翻涌的海浪时，强烈的孤独感让她失足落水。濒死之际，她坠入了一个瑰丽又危险的深海幻境——这里有会说话的鱼、漂浮的糖果屋，还有一座名为“深海大饭店”的奇异船只。
在这个光怪陆离的世界里，参宿遇到了南河——一个顶着小丑妆容、看似玩世不恭的船长。南河经营着“深海大饭店”，梦想是赚够钱去“世界尽头”。他最初对闯入的参宿充满不耐烦，却在得知她“寻找海精灵就能见到妈妈”的执念后，还是决定带她同行。两人踏上了寻找海精灵的冒险：穿越会吞噬光线的“丧气鬼”迷雾那是参宿内心负面情绪的具象化，穿越铺满荧光珊瑚的海底峡谷，对抗巨大的“海兽”。旅途中，南河用笨拙的玩笑逗参宿开心，用坚定告诉她“你不用那么懂事”，他成了参宿灰暗生活里唯一的光。
然而，深海幻境的真相逐渐浮现：这里并非真实世界，而是参宿溺水后的潜意识空间。南河的原型，是现实中为救她而牺牲的陌生船员——他原本只是个在船上卖绘本的普通人，却在危急时刻毫不犹豫跳海救人。深海里的“海精灵”，不过是参宿对妈妈的思念幻化成的微光；“丧气鬼”则是她自我厌恶情绪的失控爆发；就连南河总挂在嘴边的“世界尽头”，其实是他绘本里画的、象征“脱”的虚妄之地。
当参宿终于在幻境中触碰到“海精灵”，却发现它法带妈妈回来时，巨大的绝望让“丧气鬼”彻底吞噬了她。此时南河撕掉小丑面具，露出疲惫却温柔的脸，用尽最后的力气将她推向水面，自己则永远留在了深海。现实中，被救回的参宿在医院醒来，床头放着南河留下的绘本，封面上画着一个小女孩牵着小丑的手走向太阳。
电影的结局没有强行圆满：参宿的家庭问题仍在，抑郁情绪也未全消失，但她学会了和自己和。她开始尝试接纳不美的生活，学着对父亲说出“我很想妈妈”，学着在日记本上写下“今天的阳光很暖”。就像南河说的：“就算跌入深海，也要抬头仰望星光。” 《深海》用极致的视觉奇观包裹着最朴素的内核——每个看似“普通”的人，都可能在与内心的“丧气鬼”搏斗；而那些不经意间出现的温暖，或许就是拯救彼此的星光。