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，潜艇的主人尼摩，自称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；结果尼摩救了被鲨鱼袭击的采珠人。
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，潜艇在挪威西海岸遇上了可怕的大漩涡。教授无法知道潜艇卷入大漩涡之后的遭遇，因为他和他的同伴被漩涡抛入水里后，在挪威的一个小岛上侥幸脱险，而潜艇已毫无踪影了。
创作背景：
波兰人民反对沙皇独裁统治的起义遭到残酷镇压是凡尔纳创作《海底两万里》的一个导火索；他在小说中塑造了尼摩船长这个反对沙皇专制统治的高大形象，赋予其强烈的社会责任感和人道主义精神，以此来表达对现实的批判。
创作小说之初，凡尔纳和出版商赫泽尔（Piere-Jules Hetzel）之间就书中的主人公鹦鹉螺号船长尼摩的特征展开了一场争论。赫泽尔认为该把尼摩描写成为奴隶贩卖交易的死敌，为他对某些海上船只的无情攻击提供清晰而理想的辩护。但凡尔纳却希望尼摩是位波兰人，他永不宽恕地把仇恨直指向俄国沙皇（他曾血腥地镇压了一场波兰人的起义）。不过赫泽尔担心他引起外交上的分歧，使该书在有利可图的俄国市场上遭禁。最后，作者和出版商逐渐相互妥协了，他们认为尼摩的真正动机应当弄得模棱两可才有吸引力，尼摩应当被大致定位为自由的拥护者和反压迫的复仇者。在《神秘岛》中，这才公布他是印度达卡王子。
