Terinspirasi olehdari legenda Joseon klasik dari kisah sejarah tidak resmi koleksi pertama Korea, tentang seorang nelayan yang menangkap dan melepaskan putri duyung, drama ini menceritakan kisah cinta antara anak seorang keluarga bangsawan Joseon bernama Kim Dam-ryeong ([[Lee Min-ho (aktor kelahiran 1987)|Lee Min-ho]]) dan putri duyung bernama Se Hwa-hwa ([[Jun Ji-hyun]]).<ref>[https://www.dramafever.com/news/the-legend-of-the-blue-sea-reveals-first-ever-dual-role-for-lee-min-ho/]</ref><ref>{{cite web|first=Sonia|last=Kil|title= Gianna Jun and Lee Min-ho to Star in Korean TV Series ‘Blue Sea'|url= http://variety.com/2016/tv/asia/gianna-jun-lee-min-ho-korean-tv-blue-sea-1201785394/|website=Variety|accessdate=31 May 2016|date=30 May 2016}}</ref> Ketika Dam-ryeong masih kecil, ia hampir tenggelam tetapi diselamatkan oleh putri duyung. Setelah kejadian itu, mereka menjadi teman dan Dam-ryeong menamainya Se-hwa, menurut nama adik perempuannya. Mereka akhirnya jatuh cinta, tetapi pada suatu hari Dam-ryeong dipaksa oleh keluarganya untuk menikahi gadis lain. Hancur karena berita tersebut, Se-hwa memutuskan untuk meninggalkan Dam-ryeong selamanya dan menghapus semua ingatannya tentang Se-hwa dan cinta mereka. Namun takdir membawa mereka kembali bersama, dan mereka mencoba melarikan diri dari manusia yang ingin memisahkan mereka. Takut bahwa takdir pahit yang sama menimpa dirinya dan Se-hwa akan kembali terulang dengan sendirinya, Dam-ryeong mengirim sebuah artefak yang akan ditemukan di masa depan untuk mencoba dan memperingatkan diri masa depannya.
Tadkir Dam-ryeong dan Se-hwa menjadi terjalin dengan inkarnasi modern mereka. Dam-ryeong terlahir kembali sebagai Heo Joon-jae, seorang penipu menawan. Ia bertemu dengan putri duyung yang mirip dengan Se-hwa (yang kemudian ia namai Shim-chung) di Spanyol, dan dia cepat dibodohi olehnya. Terkait oleh mimpi dan artefak misterius, Joon-jae mempelajari dunia Dam-ryeong dan takdirnya, sebagaimana ia mencoba untuk mencengah tragedi yang sama kembali menimpa dirinya dan Shim-chung.
Shim Chung menemukan dirinya dipindahkan ke zaman modern. Dia ditangkap oleh Heo Joon-jae, seseorang menawan tapi penipu ulung yang dingin yang adalah doppelganger dari Dam-ryeong. Tapi saat ini, Joon-jae bekerja dengan Jo Nam-doo ([[Lee Hee-joon]]), seorang penipu terampil yang memandu Joon-jae untuk menjadi penipu jenius. Secara kebetulan, junior Joon-Jae, Cha Shi-ah ([[Shin Hye-sun]]), yang bekerja sebagai peneliti di KAIST, mungkin satu-satunya harapan Shim Chung untuk bertahan hidup di dunia barunya.