1866年，在海上發現了一頭被認為是獨角鯨的大怪物。法國生物學家阿龍納斯應邀參加追捕。追捕過程中，阿龍納斯、他的仆人康塞爾和捕鯨叉手尼德.蘭三人，發現這怪物不是什么獨角鯨，而是一艘構造奇妙的潛艇。
潛艇船長尼摩，是個不明國籍、自稱“跟整個人類斷絕了關系”的神秘人物，身材高大，神情自信、堅毅。尼摩邀請阿龍納斯參觀了這艘令人驚嘆的現代工業的杰作—一諾第留斯號；它利用海浪發電，供給船上熱、光、動力；它所需的一切都取自海洋。它是尼摩在大洋中的一個荒島上秘密建造起來的。
阿龍納斯及其同伴乘諾第留斯號，從太平洋出發，開始了海底探險旅行。透過潛艇玻璃窗，海洋把各種光怪陸離的景象展現在他們面前：應有盡有的海底植物，空中飛鳥般的各種魚類，以及到處皆是的形形色色的節肢動物、軟體動物……使人目不暇接。他們觀察著，研究著。途經克利斯波島，潛艇停在海底，他們穿上潛水衣，漫步在海底平原上，用特制的步槍在海底森林里打獵。書中描寫海底奇妙的世界，令人稱奇：
這真是一片奇妙又少見的海底森林，生長的都是高大的木本植物，小樹上叢生的枝權都筆直伸向洋面。沒有枝條，沒有葉脈，像鐵桿一樣。在這像溫帶樹林一般高大的各種不同的灌木中間，遍地生長著帶有生動花朵的各色珊瑚。美麗極了！
爾后，潛艇經歷了擱淺、土人圍攻等危險，安然駛向印度洋。這時發生了一件離奇的事。尼摩船長從海面上望見了什么，突然充滿了憤怒和仇恨。他粗暴地把阿龍納斯及其同伴們禁閉在小房間里，并強迫他們人睡。翌日，阿龍納斯醒來，尼摩船長請他治療一個身受重傷的船員。船員不治身死。尼摩船長哀痛地帶著送葬隊伍，把死者埋在海底光彩奪目、瑰麗無比的珊瑚樹林里。他說：在這里，珊瑚蟲會把死者永遠封閉起來，不受鯊魚和人的欺負！
印度半島南端的錫蘭島在面前了。阿龍納斯接受尼摩船長的建議，步行到海底采珠場。忽然，有條巨鯊向采珠人撲來。尼摩船長手拿短刀，挺身跟鯊魚搏斗。在尼摩船長被鯊魚的巨大軀體所壓倒，危在旦夕時，尼德？蘭迅速投出利叉，擊中鯊魚的心臟。船長救起那個窮苦的采珠人，又從自己口袋里取出一包珍珠送給他。由此，阿龍納斯感到在尼摩身上有兩點值得注意：一是他無比勇敢，二是他對人類的犧牲精神。看來，這個古怪的人還沒有完全斬斷他愛人類的感情。
從紅海到地中海，若走好望角，需繞行非洲一周。但尼摩船長沿著他所發現的一條阿拉伯海底通道潛行，不到二十分鐘，就通過蘇伊土地峽，到達地中海。書中寫道：諾第留斯在沿著又黑又深海底地道直沖過去。隨著地道的斜坡，潛艇像箭一般隨急流而下。地道兩邊狹窄的高墻上，只見飛奔的速度在電光下所畫出的輝煌紋路，筆直成條。令我們心跳不止。
潛艇向康地島駛去。這時，又發生了一件蹊蹺事：隨著凌晨潛艇窗前一個潛水人的出現，尼摩船長從櫥內取出數百萬黃金，寫上地址，派人用小艇送走。這么多金子送到哪里呢？阿龍納斯覺得，神秘的尼摩與陸地仍有某種聯系。
潛艇穿過桑多林島火山區海域的沸騰的水流，從直布羅陀海峽出來，駛到大西洋，停在維多灣海底。這里是1702年時的海軍戰場，當時給西班牙政府運送金銀的船只在此沉沒，海底鋪滿了金銀珠寶。尼摩派出船員，把千百萬金銀裝進潛艇。阿龍納斯對這許多財富不能分給窮人表示惋惜。船長聽了激動地回答：“我打撈這些財物是為了我自己嗎？你以為我不知道世上有無數受苦的人們，有被壓迫的種族，有要報仇的犧牲者嗎？”阿龍納斯于是明白了尼摩船長那次途經康地島時送出去的數百萬金子是給誰的。
在大西洋海底，阿龍納斯隨尼摩船長去做了一次新奇旅行；他們腳踩在沉沒了的大陸——一大西洋洲的一座山峰上，觀賞一座火山的海底噴火口噴出硫磺火石的奇景。眺望山腳下一座破壞了的城市—一整個沉沒水底的龐貝城。書中描述傳說中的海底古城：
遠處是一座火山。山峰下面，在一般的石頭和渣滓中間，一個闊大的噴火口吐出硫磺火石的急流，四散為火的瀑布，沒入海水里，照著海底下的平原，一直到遠方的盡頭，我的眼下是一座破壞了的城市，倒塌的房屋，破損零散的拱門，倒在地上的石柱。遠一點，是一些小型工程的廢墟。更遠一些，有一道道倒塌下來的城墻，寬闊無人的大陸，整個水下淹沒的龐貝城，現在都復活過來，出現在我眼前了。
然后，諾第留斯號大膽向南極進發，潛艇航行在成群的鯨魚中間。尼德？蘭要求追打鯨魚。尼摩部長不同意傷害這些善良無害的長須鯨。當海面上出現殘酷的大頭鯨向長須鯨進攻時，尼摩船長決定援救長須鯨。諾第留斯號用它那鋼制的沖角，直穿大頭鯨。經過一場惡斗，海上滿浮著大頭鯨的尸體。穿過南極點后，潛艇又歷經冰山封路、章魚襲擊等險情，都是尼摩船長以驚人的冷靜和毅力，帶領船員戰勝了困難。
最后，潛艇駛過被稱為風暴之王的大西洋暖流，來到了一艘法國愛國戰艦沉沒的地點。尼摩滿懷激情地講述了這艘“復仇號”戰艦的歷史。這引起阿龍納斯的注意，把尼摩船長和他的同伴們關閉在諾第留斯號船殼中，并不是一種普通的憤世情緒，而是一種非常崇高的仇恨。那一夜在印度洋上，它不是攻擊了某些船只嗎？那個葬在珊瑚墓地的人，不正是諾第留斯號引起的沖突的犧牲者嗎？而在所有的海面上，人們也正在追逐這可怕的毀滅性機器！
當諾第留斯號慢慢回到海面上來時，便有爆炸聲發出：有艘戰艦正向諾第留斯號發動攻擊。尼摩船長決心把它擊沉。阿龍納斯試圖勸阻，但船長說：“我是被壓迫，瞧，那就是壓迫者！由于他，所有一切我熱愛過的，尊敬過的，祖國、父母、愛人、子女他們全死亡了！所有我仇恨的一切，就在那里！”
船長不愿這艘戰艦的殘骸跟“復仇號”的光榮殘骸相混，他把戰艦引向東方。第二天，可怕的打擊開始了！諾第留斯號故意讓敵人接近，再在推進器的強大推動下，用那厲害的沖角對準戰艦浮標線以下的薄弱部位，從它身上橫穿過去！瞬間，戰艦船殼裂開，繼而發生爆炸，迅速下沉。它的桅檣架滿擠著遇難人。然后，那黑沉沉的巨體沒入水中，跟它一起，這群死尸統統被強大無比的漩渦卷走……
阿龍納斯目睹這場慘景，對尼摩船長極端厭惡：“雖然他從別的方面可能受過很大的痛苦，但他沒有權利來做這樣殘酷的報復。”阿龍納斯在船上聽到了尼摩船長的最后幾句話：“全能的上帝！夠了！夠了！”
