1866年,在海上发现了一头被认为是独角鲸的大怪物.法国生物学家阿龙纳斯应邀参加追捕.追捕过程中,阿龙纳斯、他的仆人康塞尔和捕鲸叉手尼德·兰三人,发现这怪物不是什么独角鲸,而是一艘构造奇妙的潜艇.
潜艇船长尼摩,是个不明国籍、自称“跟整个人类断绝了关系”的神秘人物,身材高大,神情自信、坚毅.尼摩邀请阿龙纳斯参观了这艘令人惊叹的现代工业的杰作——一诺第留斯号；它利用海浪发电,供给船上热、光、动力；它所需的一切都取自海洋.它是尼摩在大洋中的一个荒岛上秘密建造起来的.
阿龙纳斯及其同伴乘诺第留斯号,从太平洋出发,开始了海底探险旅行.透过潜艇玻璃窗,海洋把各种光怪陆离的景象展现在他们面前：应有尽有的海底植物,空中飞鸟般的各种鱼类,以及到处皆是的形形色色的节肢动物、软体动物……使人目不暇接.他们观察着,研究着.途经克利斯波岛,潜艇停在海底,他们穿上潜水衣,漫步在海底平原上,用特制的步枪在海底森林里打猎.书中描写海底奇妙的世界,令人称奇：这真是一片奇妙又少见的海底森林,生长的都是高大的木本植物,小树上丛生的枝权都笔直伸向洋面.没有技条,没有叶脉,像铁杆一样.在这像温带树林一般高大的各种不同的灌木中间,遍地生长着带有生动花朵的各色珊瑚.美丽极了!
尔后,潜艇经历了搁浅、土人围攻等危险,安然驶向印度洋.这时发生了一件离奇的事.尼摩船长从海面上望见了什么,突然充满了愤怒和仇恨.他粗暴地把阿龙纳斯及其同伴们禁闭在小房间里,并强迫他们人睡.翌日,阿龙纳斯醒来,尼摩船长请他治疗一个身受重伤的船员.船员不治身死.尼摩船长哀痛地带着送葬队伍,把死者埋在海底光彩夺目、瑰丽无比的珊瑚树林里.他说：在这里,珊瑚虫会把死者永远封闭起来,不受鲨鱼和人的欺负!
印度半岛南端的锡兰岛在面前了.阿龙纳斯接受尼摩船长的建议,步行到海底采珠场.忽然,有条巨鲨向采珠人扑来.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,危在旦夕对,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.由此,阿龙纳斯感到在尼摩身上有两点值得注意：一是他无比勇敢,二是他对人类的牺牲精神.看来,这个古怪的人还没有完全斩断他爱人类的感情.
