La obra narra las aventuras del profesor francés Pierre Aronnax, notable biólogo que es hecho prisionero por el Capitán Nemo y es conducido por los océanos a bordo del submarino Nautilus, en compañía de su criado Conseil y el arponero canadiense Ned Land. La historia comienza con una expedición a bordo de un buque de la marina de guerra estadounidense que busca dar caza a un extraño cetáceo que había ocasionado la desaparición misteriosa de diversas embarcaciones. Durante la expedición, los protagonistas se ven lanzados por la borda del buque como resultado de una embestida del animal, son rescatados y logran llegar a nado a un lugar seguro. Una vez a salvo, descubren que no se encuentran realmente en una isla, sino sobre una estructura metálica: un submarino. En el interior del misterioso artefacto conocen al Capitán Nemo, personaje desgraciado y brillante, con un oscuro pasado y de grandes aptitudes científicas y artísticas.