El aristócrata escocés Lord Edward Glenarvan descubre, durante un viaje de recreo en la costa escocesa, un mensaje dentro de una botella lanzada por Harry Grant, capitán del bergantín Britannia, que ha naufragado dos años antes (1862) junto a dos miembros de su tripulación. A petición de Roberto y María, los hijos del capitán, decide lanzar una expedición de rescate, cuya principal dificultad consiste en que los datos del mensaje lanzado por los náufragos son ilegibles, excepto la latitud: 37° S.

Lord Glenarvan, junto con su esposa, Lady Helena, los hijos del capitán y la tripulación de su yate, el Duncan, parten para Sudamérica, puesto que el mensaje incompleto sugiere la Patagonia como sitio del desastre. En mitad de la travesía, descubren a un inesperado pasajero: el geógrafo francés Santiago Paganel, que ha subido a bordo por equivocación y que decide unirse a la expedición, abandonando el viaje que tenía pensado realizar debido a su profesión.

La expedición circunnavega el paralelo 37° sur, atraviesa Suramérica explorando la Patagonia y gran parte de la región Pampeana y, posteriormente, las islas Tristán de Acuña, Ámsterdam, Australia y Nueva Zelanda, con resultados negativos.

Al llegar a Australia, debido a una nueva interpretación del mensaje sugerida por el geógrafo Paganel, los expedicionarios encuentran por casualidad a un miembro de la tripulación del Britannia llamado Ayrton, quien les propone llevarlos al lugar del naufragio. Pero ellos no saben que Ayrton está siendo buscado por las autoridades inglesas por pertenecer a una banda de ladrones en la que toma el sobrenombre de Ben Joyce. Ayrton traiciona la confianza que depositan en él los integrantes de la expedición y trata de tomar el control del yate Duncan, pero la suerte le es esquiva y su golpe falla, gracias a la lealtad de la tripulación y a un despiste de Santiago Paganel.

Tomado prisionero en el Duncan, Ayrton ofrece a Lord Glenarvan dar datos sobre el capitán Grant a cambio de ser abandonado en una isla desierta en lugar de ser entregado a las autoridades inglesas, que podrían ejecutarlo. Entonces, el Duncan pone proa a la isla Tabor (o arrecife María Teresa), que casualmente resulta ser el refugio del capitán Grant y los dos marinos sobrevivientes del naufragio. El grupo regresa a Inglaterra, dejando a Ayrton en la isla para vivir entre las bestias y así recobrar su humanidad. El personaje de Ayrton reaparece en la novela de Julio Verne «La isla misteriosa», publicada en 1874.