1866年，传说在海上发现了一只疑似为独角鲸的大怪物，博物学家阿龙纳斯教授和他的仆人受邀参与美国舰队的追捕行动。
在追捕过程中，他们俩和鱼叉手不幸落水，掉到了怪物的脊背上。这时，他们才发现，这怪物并不是什么独角鲸，而是一艘构造极为精巧的潜艇。
潜艇的主人尼摩船长是一位不明国籍的神秘人物，深爱着大海而厌恶陆地，在海底营造了属于自己的理想王国。为了保守这个的秘密，他邀请教授三人进入潜艇，进行海底旅行。
他们从太平洋出发，经过印度洋、红海、地中海、大西洋，甚至到达了南极和北极海域。
在途中，他们欣赏过红海珊瑚的浪漫，也目睹了触礁船只的遗骸，体验过海底平原，也在南极洲遭遇冰盖被困，甚至亲眼见到了消失的亚特兰蒂斯。
在旅途过程中，阿龙纳斯教授逐渐了解到，神秘的尼摩船长仍与大陆保持联系，他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。
