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。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。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。
