1866年，在大海的不同地方，一些船只发现了一个闪闪发亮的怪物，它身长数百米，偶尔浮出水面。在不少船只受到这怪物攻击而沉没之后，美国政府派出护卫舰林肯号前去跟踪追捕。法国生物学家阿龙纳斯应邀参加，他认为这是一头巨大的独角鲸。
一天晚上，教授正在甲板上欣赏夜景，猛然发现漆黑的水面突然闪现红光，接着冒出一个庞然大物。教授奔回船舱报告了舰长，护卫舰随即向怪物驶去。结果被怪物击沉，教授、他的仆人康塞尔和鲸叉手三人被抛入水中。
教授醒来时，发现自己在一艘巨大的潜艇里，一个身材高大，神情自信，不明国籍的男人走了进来，自称尼摩船长并表示与整个人类断绝了关系。他说虽然他们已成了他的俘虏，但仍享有自由；只是为了保密，他不会释放他们，而且要求他们唯命是从。在尼摩的邀请下，教授三人参观了他亲自设计建造的鹦鹉螺号。
鹦鹉螺号在太平洋里潜行。教授透过玻璃窗，一路观赏着光怪陆离的海底景象和五光十色的深海生物。途经克利斯波岛时，尼摩派人送来纸条，邀请他们三人到海底森林打猎。潜艇到达加里曼丹附近时，食品告缺。教授他们三人决定上岸寻找蔬菜和野味。结果受到土著人的袭击。
潜艇驶入印度洋，在斯里兰卡附近，尼摩邀请教授他们到海底参观采珠场；但是他们突然遭到鲨鱼的袭击，尼摩船长手拿短刀，挺身跟鲨鱼搏斗。在尼摩船长被鲨鱼的巨大躯体所压倒，危在旦夕时，尼德兰迅速投出利叉，击中鲨鱼的心脏。船长救起那个穷苦的采珠人，又从自己口袋里取出一包珍珠送给他。
在大西洋海底，尼摩陪着教授参观沉没已久的大陆大西洲。他们观赏了海底火山喷口吐出硫磺火浆的奇景，也察看了已成废墟的庞贝城。
潜艇又向南极进发，它在成群结队的鲸鱼中间穿行。在此后的航行中，他们历尽艰险，一会儿是冰山封路，一会儿是章鱼围攻，一会儿又是敌舰偷袭。尼摩以惊人的毅力和智慧，指挥全体船员，战胜了一切。
历经海底两万里环球航行之后，在尼德兰试图将把将固定在潜艇上小艇开走时以惊人的速度被吸进了可怕的北冰洋大漩涡，巨大的漩涡里颠来倒去，像人一样的艰难挣扎着，固定小艇的螺丝钉掉了，小艇像一块石头一样被甩了出去，教授一头撞在一个铁杆上昏了过去。至于那天夜里所发生的事，小艇是如何逃离恐怖漩涡的，尼德兰和教授是如何从漩涡又是怎样从这个无底深渊里成功脱险的，他们也说不清楚。
等他们苏醒时，发现自己和同伴都毫发无损并且已经安全时，他们欣喜若狂激动地抱在一起。
