В 1866 году на глаза мореплавателям стал попадаться необычный объект, превосходящий кита скоростью и размерами. Газеты, а вслед за ними и учёные, заинтересовались неизвестным объектом, который, после долгих обсуждений, сочли неизвестным науке животным, предположительно — гигантским нарвалом. Академический интерес сменился сугубо практическим, когда в результате столкновений с объектом несколько кораблей получили пробоины. Было решено в 1867 году снарядить экспедицию на военном парусно-паровом фрегате «Авраам Линкольн», принадлежащем флоту США, чтобы найти и уничтожить опасное для мореплавания животное.
После долгих поисков экспедиция встречает в Тихом океане «неведомое животное», но в результате столкновения с ним фрегат получает повреждения, а находившиеся на нём профессор Аронакс[fr] (Pierre Aronnax), его слуга Консель[fr] (Conseil [консей] — совет) и гарпунёр Нед Ленд[fr] (Ned Land) оказываются в воде, после чего попадают на борт подводной лодки, которую, как выясняется, и принимали за «неведомое животное». Её хозяин представляется как «капитан Немо» (лат. Nemo — Никто). Он объявляет что они находятся на борту принадлежащего ему подводного корабля «Наутилус». Капитан Немо вместе со своими товарищами порвал все связи с человеческим обществом и удалился в океан, чтобы жить свободно. Втайне от всех построив и оснастив «Наутилус» так, чтобы иметь на нём возможность практически неограниченной автономии, Немо и его товарищи, составившие экипаж корабля, навсегда ушли в океан. Поскольку Немо заинтересован в сохранении тайны «Наутилуса», он принимает решение задержать на корабле на неопределённый срок, и героям, перед которыми, фактически, поставлен выбор между пленом и смертью, приходится примириться с его решением. Профессору Аронаксу капитан предлагает участвовать в научных исследованиях и наблюдениях, которые он ведёт на «Наутилусе», забираясь в недоступные «земной» науке морские глубины.
На протяжении последующих семи месяцев герои переживают приключения во всех океанах земного шара, кроме Северного Ледовитого. Во время этого кругосветного путешествия по поверхности и в глубинах морей и океанов они участвуют в подводной охоте, посещают острова Новой Гвинеи, добывают жемчуг и сражаются с акулами в Индийском океане, посещают затопленные руины Атлантиды, сражаются с кашалотами и полчищами спрутов. «Наутилус» преодолевает льды Южного полюса и открывает сам полюс.
По ходу этого путешествия героям становится ясно, что экипаж «Наутилуса», хоть и покинул сушу, остаётся в курсе происходящих там событий и активно народам, борющимся против колонизаторов. В конце повествования «Наутилус» вступает в бой с английским военным кораблём и безжалостно топит его таранным ударом. Так герои узнают, что капитан, помимо прочего, вершит личную месть.
В течение всего повествования герои постоянно возвращаются к вопросу о побеге с «Наутилуса», на чём особенно настаивает Нед Ленд. Но «бежать из подводной тюрьмы — невозможно вдвойне». Найти сообщника среди экипажа невозможно — матросы разговаривают только на своём языке, которого не знает никто из героев, к тому же экипаж вообще никак не общается с пленниками, за исключением капитана Немо. Наконец, после боя с английским кораблём, когда капитан, судя по всему, погружается в депрессию и ослабляет контроль за происходящим, Ленд обнаруживает, что «Наутилус» находится вблизи какой-то суши, и предлагает бежать, захватив шлюпку. В последний момент выясняется, что судно попало в Мальстрём — мощный водоворот, — но менять что-то уже поздно. Аронакс и его друзья чудом и выбираются на норвежский берег; последняя глава романа оканчивается размышлениями Аронакса о сложной судьбе капитана Немо и вопросом, вершит ли до сих пор загадочный капитан свои возмездия, мстя всему миру?
Во время плавания на Наутилусе профессор Пьер Аронакс вёл дневник, из которого явствует, что плавание продлилось с 8 ноября 1867 по 23 июня 1868 г
