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. Éste les muestra toda la nave, el Nautilus, y les da notables explicaciones sobre su ingeniería. El capitán les informa de que, al haber conocido su existencia, no puede dejarlos volver a la superficie. A lo largo del viaje, les son revelados muchos secretos, y recorren diversos lugares, entre los que se menciona la mítica Atlántida, las islas de la Polinesia, el Mar Rojo, las costas del Lejano Oriente, el Mediterráneo, etc.