Se relata la difícil busca de un fenómeno óptico, el rayo verde, que puede verse en ciertas condiciones en el momento en que el sol desaparece en el horizonte del mar, por parte de Sam y Sib Melvill, para tratar de casar a su sobrina Elena Campbell con Aristobulus Ursiclos, ya que dice la leyenda que dos personas que lo vean a la vez quedarán automáticamente enamoradas la una de la otra. Es un momento mágico en que dos personas descubren el amor a la vez. A la busca se une el pintor Olivier Sinclair.

Tras una serie de peripecias y de la busca del lugar ideal para avistar este mágico rayo verde, los protagonistas no tendrán el final deseado; pero, aun así, su amor no se verá demorado mucho más tiempo.

Además de servir como guía turística de las islas escocesas, la novela delinea también el antagonismo entre la ciencia encarnada por el sabelotodo Aristobulus Ursiclos (cuyo nombre aparenta un anagrama), y el humanismo representado en el poeta Olivier Sinclair, por el que Julio Verne fija su preferencia; posición explicable dada la personalidad del sabio, que es un sujeto extraño, antipático por su sequedad de corazón y su inteligencia puramente mecánica, valores totalmente alejados de las bondades filosóficas de los científicos de su primera etapa literaria.

El rayo verde no se incluye en el grupo clásico de las «novelas visionarias» que se le atribuyen a Verne; es considerada solo como una novela de viajes y aventuras sostenida en una antigua leyenda romántica, además de contener indudables toques de humor.