Trong năm 1866, tàu của một số quốc gia phát hiện ra một con quái vật biển bí ẩn, mà một số cho thấy là một con cá voi khổng lồ. Chính phủ Hoa Kỳ khởi động một cuộc thám hiểm trên biển để tìm và tiêu diệt con quái vật. Giáo sư Pierre Aronnax, nhà sinh học biển và người kể chuyện của người Pháp, người đang ở New York vào thời điểm đó, nhận được lời mời đến phút cuối cùng tham gia cuộc thám hiểm mà ông chấp nhận. Thợ săn cá voi của Canada - Ned Land và hộ tống trung thành của Aronnax - Conseil cũng được đưa lên tàu.

Chuyến thám hiểm khởi hành từ Brooklyn trên tàu hải quân của Hải quân Hoa Kỳ Abraham Lincoln và đi về phía nam quanh Cape Horn đến Thái Bình Dương. Con tàu tìm thấy con quái vật sau một cuộc tìm kiếm dài và sau đó tấn công con quái vật, Ned phóng lao nhọn trúng con cá. Con quái vật quay lại, tấn công tàu Lincoln làm hỏng bánh lái. Aronnax bị rơi xuống biển, Conseil tự nguyện nhảy xuống với chủ của mình. Hai người lênh đênh trên biển, qua tới hôm sau thì gặp Ned đang ở trên lưng con cá. Cả ba người phát hiện ra rằng "con cá quái vật" là một tàu ngầm rất xa thời đại của nó. Họ nhanh chóng bị bắt và mang vào bên trong tàu, nơi họ gặp người sáng tạo bí ẩn và chỉ huy, thuyền trưởng Nemo.

Phần còn lại của câu chuyện đi theo những cuộc phiêu lưu của những nhân vật chính trên chiếc tàu đó - chiếc tàu ngầm, chiếc Nautilus - được xây dựng bí mật và giờ đây đi lang thang khắp vùng biển không có bất kỳ chính phủ nào. Động lực của thuyền trưởng Nemo ngụ ý là sự khát khao về tri thức khoa học và là mong muốn sự tự do cho nhân dân Ấn Độ. Nemo giải thích rằng tàu ngầm của ông được cung cấp điện và có thể thực hiện nghiên cứu sinh học biển tiên tiến; ông cũng nói với hành khách mới của mình rằng mặc dù ông đánh giá cao cuộc trò chuyện với một chuyên gia như Aronnax, duy trì sự bí mật của sự tồn tại của ông không bao giờ để chúng để lại. Aronnax và Conseil bị mê hoặc bởi những cuộc phiêu lưu dưới nước, nhưng Ned Land chỉ có thể nghĩ đến trốn thoát.

Họ đến thăm nhiều nơi dưới đại dương, một số thế giới thực và những người khác hư cấu. Các du khách đã chứng kiến ​​những san hô thực sự của (Biển Đỏ, những vụ va chạm của trận Vigo Bay, các kệ băng ở Nam Cực, cáp điện báo Transatlantic và vùng đất ngập nước huyền thoại của Atlantis. Du khách cũng sử dụng bộ đồ lặn để săn cá mập và sinh vật biển khác bằng súng không khí và có tang lễ dưới nước cho một thành viên thủy thủ đoàn đã chết khi một tai nạn xảy ra trong điều kiện bí ẩn bên trong Nautilus. Khi Nautilus quay trở lại Đại Tây Dương, một gói "poulpes" (thường được dịch là mực khổng lồ, mặc dù trong tiếng Pháp "poulpe" có nghĩa là " bạch tuộc ") tấn công tàu và giết chết một thành viên thủy thủ đoàn.

Trong suốt câu chuyện, Thuyền trưởng Nemo được cho là đã bị lưu đày khỏi thế giới sau một cuộc chạm trán với các lực lượng chiếm đóng đất nước ông có những ảnh hưởng tàn phá đối với gia đình ông. Không lâu sau vụ tai nạn, Nemo đột nhiên thay đổi thái độ của mình đối với Aronnax, tránh anh ta. Aronnax không còn cảm thấy như vậy nữa và bắt đầu thông cảm với Ned Land. Gần cuối cuốn sách, Nautilus bị tấn công bởi một tàu chiến của một số quốc gia đã làm Nemo bị ảnh hưởng. Némo hận thù và trả thù, Nemo bỏ qua những lời cầu khẩn của Aronnax cho lòng thương xót. "Aronnax - biệt danh Nemo" của Aronnax - đã phá hủy con tàu, đập nó ngay dưới đường nước, và do đó chìm nó xuống tận đáy biển, khiến cho Aronnax kinh hoàng khi nhìn chiếc tàu chìm vào vực thẳm. Nemo cúi đầu trước hình ảnh của vợ và con của mình và rơi vào tình trạng trầm cảm sâu sắc sau cuộc gặp gỡ này. Trong vài ngày sau đó, tình hình của các nhân vật chính sẽ thay đổi. Không ai dường như ở trên tàu nữa và Nautilus di chuyển ngẫu nhiên. Ned Land thậm chí còn chán nản hơn, Conseil lo sợ cho cuộc đời của Ned, và Aronnax, kinh hoàng trước những gì Nemo đã làm cho con tàu, cũng không thể chịu đựng được tình huống này. Một buổi tối, Ned Land thông báo một cơ hội để trốn thoát. Mặc dù Aronnax muốn rời khỏi Nautilus và trốn xa Nemo, người mà giờ đây anh đang kinh hoàng, anh vẫn muốn gặp Nemo lần cuối. Nhưng anh ta biết rằng Nemo sẽ không bao giờ để anh ta trốn thoát, vì vậy anh ta phải tránh gặp Nemo. Tuy nhiên, trước khi trốn thoát, anh ta đã nhìn thấy Nemo lần cuối cùng (mặc dù bí mật), và nghe thuyền trưởng ấy nói "Ôi, thế là đủ rồi, đủ rồi!". Aronnax ngay lập tức đi đến gặp bạn bè của mình và họ đã sẵn sàng để trốn thoát. Nhưng trong khi họ nới lỏng chiếc thuyền, họ phát hiện ra rằng Nautilus đã lạc vào xoáy nước "Maelstrom". Họ tìm cách giữ chiếc xuồng ở lại với tàu Nautilus nhưng không thành và lọt vào xoáy nước. Sau đó họ được cứu bởi những người ngư dân trên một hòn đảo gần bờ biển Na Uy, nhưng số phận của Nautilus và thuyền trưởng Nemo vẫn còn là bí ẩn.