Em 1866, navios de vários países relatam ter visto no mar um objeto comprido, veloz e às vezes luminoso. Os jornais falam de um monstro, e os governos mandam procurá-lo. Nos Estados Unidos, a Marinha prepara a fragata Abraham Lincoln e convida o professor Pierre Aronnax, do Museu de Paris, que estava em Nova York depois de uma expedição ao Nebraska. Aronnax aceita e leva o criado Conseil. Na fragata está também Ned Land, arpoador canadense.
A fragata cruza o Atlântico, contorna a América do Sul e chega ao Pacífico, onde encontra o animal. Há uma perseguição, um choque violento, e Aronnax, Conseil e Ned caem ao mar. Os três sobem no dorso do monstro, que é de aço, e acabam encerrados num submarino, o Nautilus. O comandante, que se apresenta como capitão Nemo, lhes diz que não poderão voltar à terra, porque conhecem o segredo do barco. Aronnax passa a conhecer a biblioteca, a coleção de conchas e a eletricidade que move a máquina.
A viagem segue pelo Pacífico. Seguindo a Corrente Negra, o Nautilus chega à ilha Crespo, onde Nemo convida Aronnax para uma caçada em suas florestas submarinas, com trajes de mergulho. Perto de Vanikoro, o capitão mostra os restos dos navios da expedição de La Pérouse. No estreito de Torres, o submarino encalha num recife, e os prisioneiros descem a uma ilha, onde são cercados por uma multidão de nativos em pirogas. Nemo os repele com a eletricidade do casco.
No oceano Índico, perto do Ceilão, Nemo leva Aronnax a um banco de pérolas e lhe mostra, dentro de uma tridacna gigante, uma pérola do tamanho de um coco, que ele deixa crescer. Ali eles veem um pescador indiano atacado por um tubarão, e Nemo o salva. Pelo mar Vermelho, o Nautilus chega a um túnel submarino que Nemo conhece, o Arabian Tunnel, e passa ao Mediterrâneo. Ned e Aronnax se preparam para fugir, mas a ocasião passa. O barco cruza o arquipélago grego, visita a baía de Vigo, onde afundaram galeões espanhóis cheios de ouro, e vê a Atlântida submersa.
A parte final é a mais dura. O Nautilus vai ao polo sul, onde fica preso sob o gelo, sem ar, e todos, Aronnax e Ned entre eles, abrem caminho no gelo a golpes de picareta. Mais tarde, um ataque de polvos gigantes mata um marinheiro, e Nemo chora a morte. Em seguida, Aronnax o vê afundar um navio de guerra e, no quarto do capitão, vê o retrato de uma mulher e de duas crianças. Ned, Conseil e Aronnax decidem fugir de uma vez. O Nautilus entra no Maelstrom, o grande redemoinho da costa da Noruega, o bote se solta, e Aronnax perde os sentidos.
Aronnax acorda numa cabana de pescador nas ilhas Lofoten, com Conseil e Ned ao lado. Não sabe como escaparam, nem o que aconteceu com o Nautilus e com o capitão Nemo. O livro termina com essa dúvida e com a esperança de que Nemo encontre alguma paz.
