1868 yılında denizlerde bazı gemilerin çarpıp batmasına neden olan garip bir nesnenin varlığı denizcileri heyecanlandırmaktadır. Fransız bilim adamı Pierre Aronnax, konuyu araştıran bir ABD bilim gemisine uşağı ile birlikte biner. Bilinmeyen bir hayvan olduğunu düşündükleri varlıkla karşılaştıklarında onu yakalamaya çalışırken bir kaza sonucu denize düşen Aronnax, uşağı Conseil ve geminin Kanadalı mızrakçısı Ned Land; kendilerini o varlığın üzerinde bulurlar.

Dev bir yaratık olduklarını sandıkları şeyin; bir denizaltı gemisi olduğunu görürler. Geminin içine alınan kazazedeler, esrarengiz Kaptan Nemo ve adamları ile tanışırlar. Toplumdan ilişkisini koparıp kendisine kimsenin yapmadığı bir denizaltı gemisi yapan Kaptan Nemo, zengin ve kültürlü bir adamdır. Kendisine benzer insanlardan oluşan mürettebatı ile kendilerini özgür hissettikleri bu mekanda yaşayan Kaptan Nemo, sırlarının açığa çıkacağı endişesi ile Aronnax ve arkadaşları serbest bırakmayı reddeder; onları birlikte okyanusun derinliklerini araştırmaya davet eder.,

Roman kahramanları köpekbalıkları ile çarpışmaktan, su altında volkan patlaması görmeye kadar bir çok macera yaşar, Atlantis kıtasını ziyaret eder; Güney kutbunu keşfederler.