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. Der französische Professor Pierre Aronnax, Autor eines Werkes über "Die Geheimnisse der Meerestiefen", vermutet einen gigantischen Narwal als Ursache. Wegen seiner Expertise als Meereskundler wird er gebeten, sich einer Expedition zur Klärung der Vorgänge anzuschließen, und so sticht Arronax in Begleitung seines gleichmütigen Dieners Conseil an Bord der Fregatte Abraham Lincoln in See.

Nach wochenlanger Suche und anschließender Verfolgungsjagd werden Arronax, 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 das Unterseeboot des mysteriösen Kapitäns Nemo handelt.

Mit der Zeit erfährt Arronax in Gesprächen mit Nemo Details über die technischen Fähigkeiten des Unterseeboots, der Nautilus, jedoch kaum etwas über ihren Kapitän und ihre Mannschaft. Erst nach und nach zeigt sich, dass Nemo nach tragischem Verlust von Frau und Kindern mit der auf dem Land lebenden Menschheit gebrochen hat. Er sieht sich als Rächer der Entrechteten. Da niemand sein Geheimnis erfahren darf, steht eine Freilassung der drei Schiffbrüchigen außer Frage. Als Gäste wider Willen beginnt für die Gefährten eine unglaubliche Weltreise in den Tiefen der Meere.