Der Roman ist vorgeblich ein Erlebnisbericht des französischen Professors Pierre Aronnax, Autor eines Werkes über "Die Geheimnisse der Meerestiefen". In den Jahren 1866 und 1867 häufen sich auf allen Weltmeeren rätselhafte Schiffsunglücke. Die Presse spekuliert, ein bislang unbekanntes Seeungeheuer oder aber ein "Unterwasserfahrzeug mit außerordentlicher mechanischer Kraft" habe die Schiffe zum Kentern gebracht. Wegen seines Fachwissens als Meereskundler bittet ihn die amerikanische Regierung 1867, sich einer Expedition zur Klärung der Vorgänge anzuschließen. So sticht Aronnax in Begleitung seines gleichmütigen Dieners Conseil an Bord der US-Fregatte Abraham Lincoln in See. Nach wochenlanger Suche im Nordpazifik sichten sie das fragliche Objekt. Im Verlauf der anschließenden Verfolgungsjagd werden Aronnax, Conseil und der kanadische Harpunier Ned Land ins offene Meer gespült, finden aber letztlich auf der Oberfläche des vermeintlichen Seeungeheuers festen Boden unter den Füßen. Es stellt sich heraus, dass es sich tatsächlich um ein aus Eisen gebautes Unterseeboot handelt. Nach einiger Zeit öffnet sich eine Luke, aus der Mannschaftsangehörige des Fahrzeugs treten, die die drei Männer in eine Zelle sperren. Später werden sie dem Kapitän vorgeführt, der sich als "Nemo" – lateinisch für "Niemand" – vorstellt. Da niemand sein Geheimnis erfahren darf, kommt eine Freilassung der drei Schiffbrüchigen nicht in Betracht, und so sind sie gezwungen, an Bord der Nautilus eine Weltreise unter Wasser mitzumachen. Dabei erleben sie allerlei Abenteuer. Den drei Gefangenen gelingt eine waghalsige Flucht zur rettenden Küste Norwegens, als der Nautilus in den Strudel des Mahlstroms gerät.