1866年,海上出现了一头被认为是独角鲸的大怪物。法国生物学家阿龙纳斯应邀参加追捕。追捕过程中,阿龙纳斯、他的仆人康塞尔和捕鲸叉手尼德·兰三人,发现这怪物不是什么独角鲸,而是一艘构造奇妙的潜艇。
潜艇船长尼摩是个不明国籍、自称“跟整个人类断绝了关系”的神秘人物,身材高大,神情自信、坚毅。尼摩邀请阿龙纳斯及其同伴乘诺第留斯号,从太平洋出发,开始了海底探险旅行。
他们从太平洋出发,经过珊瑚岛、印度洋、红海、地中海、大西洋,看到海中许多罕见的动植物和奇异景象。途中还经历了搁浅、土著围攻、同鲨鱼搏斗、冰山封路、章鱼袭击等许多险情。最后,当潜艇到达挪威海岸时,三人不辞而别,回到了阿龙纳斯的家乡,并将他所知道的海底秘密公布于世