故事发生在1866年，法国人阿龙纳斯是位生物学家，应邀赴美参加一项科学考察活动。当时，海上出现了一个“怪物”，在全世界闹得沸沸扬扬。科考活动结束之后，生物学家正准备返回法国，却接到了美国海军部的邀请，于是登上了一艘驱逐舰，参与“把那个怪物从海洋中清除出去”的活动。

经过千辛万苦，“怪物”未被清除，驱逐舰却反而被“怪物”重创，生物学家和他的仆人康塞尔以及为清除“怪物”而被特意请到驱逐舰上来的一名捕鲸能手尼德·兰都成了“怪物”的俘虏。“怪物”非他，原来是一艘尚不为世人所知的潜水艇，名为“诺第留斯”号（又名“鹦鹉螺”号）。

潜艇上的人对俘虏倒也优待，只是为了保守自己的秘密，潜艇船长尼摩要求他们从此永远不许离开。阿龙纳斯一行别无选择，只得跟着潜水艇周游各大洋。

他们在印度洋的珠场和鲨鱼展开过搏斗，捕鲸手尼德·兰手刃了一条凶恶的巨鲨；他们在红海里追捕过一条濒于绝种的儒艮，儒艮肉当晚就被端上了餐桌；他们在大西洋里和章鱼进行过血战，一名船员惨死……这些场面都十分惊心动魄。

乘着这艘神奇的集当时世界最先进技术于一身的潜艇，他们在海流中前进，经过瓦尼科罗岛，穿过托雷斯海峡，从印度洋到红海，再从阿拉伯隧道出来到希腊群岛，然后再花费了48小时穿越了地中海到达维哥湾，看一看那消失在历史尘埃中的大陆。最后在南极经历了一场缺氧下的生死搏斗后才得以脱险，从合恩角到亚马逊最后到墨西哥湾，潜艇遇到了恐怖的大漩涡，生物学家和他的朋友们趁机逃出。

通过一系列奇怪的事情，阿龙纳斯终于了解到神秘的尼摩船长仍与大陆保持联系，用海底沉船里的千百万金银来支援陆地上人们的正义斗争。十个月之后，在机缘巧合下，这三个人终于在极其险恶的情况下逃出了“诺第留斯”号。这是，生物学家才得以把这个秘密公之于世。