1866年，在大海的不同地方，一些船只发现了一个闪闪发亮的怪物，它身长数百米，偶尔浮出水面。在不少船只受到这怪物攻击而沉没之后，美国政府派出护卫舰“林肯号”前去跟踪追捕。法国生物学家阿龙纳斯应邀参加，这个巴黎自然历史博物馆的教授，曾经撰文探讨过这海洋怪物，认为是一头巨大的独角鲸。
“林肯号”在大海里游弋了三个星期，却一无所获。一天晚上，教授正在甲板上欣赏夜景，猛然发现漆黑的水面突然闪现红光，接着冒出一个庞然大物。教授奔回船舱报告了舰长，护卫舰随即向怪物驶去。临近时加拿大捕鲸叉手尼德·兰猛力投出锋利的鲸叉，只听得“当”的一声，仿佛撞击在钢板上，毫无作用。护卫舰便开炮射击，可是炸弹均被怪物的尾部弹出，溅起一片浪花。怪物似乎被激怒了，从头上喷出两股水柱，向护卫舰右舷猛力袭来，随着轰隆一声巨响，教授、他的仆人康塞尔和鲸叉手三人被抛入水中。教授很快就失去了知觉。
教授醒来时，发现自己躺在一个铁屋子里，身边坐着康塞尔和尼德·兰。他大惑不解。两位陌生人进来向他们致意，可是教授试用了几种语言，他们都听不懂。正在为难之时，他们的主人出现了。他身材高大，目光炯炯，用法语作了自我介绍。他叫尼摩，自称与整个人类断绝了关系。他说虽然他们已成了他的俘虏，但仍享有自由。只是为了保密，他不会释放他们，而且要求他们唯命是从。
教授虽然对失去自由感到难过，但是他还是被神秘的潜艇和海底的奥秘所吸引。在尼摩的邀请下，他们三人参观了他亲自设计建造的“鹦鹉螺号”。尽管它的部件是拼凑起来的，可船体坚固，结构合理，承受得起海水的冲击和高压。艇内有漂亮的客厅，舒适的卧舱，图书阅览室和娱乐场。潜艇的电力和氧气都是从海水里提取，能在海底停留很长时间。食物也是取自海洋，有些美味的鱼教授从未品尝过。布是由海洋纤维织成，烟叶来自海草。尼摩还让他们参观了猎取海洋动物的枪支和便于在海底行走的装备。
“鹦鹉螺号”在太平洋里潜行。教授透过玻璃窗，一路观赏着光怪陆离的海底景象和五光十色的深海生物。途经克利斯波岛时，尼摩派人送来纸条，邀请他们三人到海底森林打猎。于是他们穿上潜水服，背上氧气瓶，手持特别猎枪，穿过换压舱，走在海底平原上。尼摩举枪射中一只大海獭，然后又杀了两条海豚似的动物，满载而归。
潜艇到达加里曼丹附近时，食品告缺。教授他们三人决定上岸寻找蔬菜和野味。起初，他们运气不错，打死了几头野猪，采摘了不少水果。正当他们在沙滩上架起篝火准备烤肉时，突然受到土著人的袭击。他们慌忙逃进小艇，驶向停泊在海中的潜艇。可是土著人乘上木筏，紧迫不舍。即使教授他们爬上潜艇，下了底舱，土著人仍然围着潜艇，不肯散去。第二天一早，潜艇开舱换气时，土著人果真纷纷爬上船来。可是他们的手一碰到栏杆，就惊叫着退缩了回去，原来金属栏杆全部通了电。
潜艇驶入印度洋，在斯里兰卡附近，尼摩邀请教授他们到海底参观采珠场。这里盛产珍珠，最大的价值可达二百万美元。教授兴趣盎然地观看印度人在海底采珠。突然，一条巨鲨张着血盆大口向印度人袭去，尼摩当即手执短刀，挺身上前与鲨鱼展开搏斗，尼德·兰举叉相助，正中鲨鱼心脏。尼摩随即把采珠人托出水面，还从自己口袋里取出几颗珍珠送他。教授从心底敬佩尼摩舍己救人的精神，并由此知道尼摩事实上没有断绝与人类的交往。
“鹦鹉螺号”从红海进入地中海花了不足20分钟。它是通过尼摩发现的海底通道潜行的，那时还没有苏伊士运河。
一路上，教授发现了不少惊人的事情。船至康地岛时，尼摩从柜子里取出许多黄金，派人乘小艇送出去。后来当潜艇驶入大西洋，停泊在维多湾海底时，尼摩又派他的船员潜水从海底沉船里搬上来装满金银财宝的箱子。原来尼摩是利用打捞沉船里的财宝救济穷人和从事科学探险的。在大西洋海底，尼摩陪着教授参观沉没已久的大陆——大西洲。他们观赏了海底火山喷口吐出硫磺火浆的奇景，也察看了已成废墟的庞贝城。
潜艇又向南极进发，它在成群结队的鲸鱼中间穿行。当尖头鲸向长须鲸进攻时，尼摩出于对弱者的同情，指挥船员攻击尖头鲸。在此后的航行中，他们历尽艰险，一会儿是冰山封路，一会儿是章鱼围攻，一会儿又是敌舰偷袭。尼摩以惊人的毅力和智慧，指挥全体船员，战胜了一切。
历经海底两万里环球航行之后，潜艇在挪威西海岸遇上了可怕的大漩涡。教授无法知道潜艇卷入大漩涡之后的遭遇，因为他和他的同伴被漩涡抛入水里后，在挪威的一个小岛上侥幸脱险，而潜艇已毫无踪影了。
这部作品叙述法国博物学家阿龙纳斯教授在海洋深处旅行的故事。故事发生在一八六六年，当时海上发现了一只被断定为独角鲸的大怪物，他接受邀请参加追捕，在追捕过程中不幸落水，泅到怪物的脊背上。其实这怪物并非什么独角鲸，而是一艘构造奇妙的潜水艇。从此，潜水艇带着他环游海底两万里……
潜艇是船长尼莫在大洋中的一座荒岛上秘密建造的，船身坚固，利用海洋发电。尼莫船长邀请阿龙纳斯作海底旅行。主人公始终被一个谜团所困惑,他始终在思考,想解开这个谜:尼摩船长究竟是什么人?这位天才的工程师、知识渊博的学者为什么如此仇视人类社会?他漫游海底的目的是什么?何时是旅途的终点站?阿罗纳克斯、龚赛依和尼德·兰屡次逃跑的努力似乎都在无意间被挫败,他们能否重返大地、获得自由?这次海底万里行究竟如何收场?老的疑团刚解开,新的困惑又摆在面前.他们从太平洋出发，经过珊瑚岛、印度洋、红海、地中海，进入大西洋，看到许多罕见的海生动植物和水中的奇异景象，又经历了搁浅、土著人围攻、同鲨鱼搏斗、冰山封路、章鱼袭击等许多险情。最后，当潜艇到达挪威海岸时，阿龙纳斯不辞而别，把他所知道的海底秘密公布于世。