Esta história foi escrita antes dos submarinos modernos serem uma realidade. É narrada pelo Professor Pierre Aronnax, um
biólogo marinho de nomeada, que é acompanhado pelo seu fiel assistente Conseil e por um arpoador Canadiano chamado Ned Land. No princípio da história, um misterioso “monstro marinho” é avistado por navios de várias nações; um
navio chega mesmo a ser danificado pela criatura. O governo dos Estados Unidos da América reúne finalmente uma expedição para caçar e destruir a ameaça. Como Aronnax se encontra na cidade de Nova Iorque e é um especialista nesta área, é convidado de última hora para se juntar à expedição, convite este que aceita. O arpoador Ned Land e o assistente de Aronnax, Conseil, são também trazidos para bordo.A expedição zarpa de Long Island a bordo do navio de guerra americano Abraham Lincoln, que viaja ao longo da América do Sul, entrando no Oceano Pacífico. Após muita procura sem frutos, o monstro é encontrado e o navio ataca-o. Durante a batalha, o leme do navio é danificado e os três protagonistas são lançados borda fora, para serem encontrados no “dorso” da criatura, apenas para descobrirem que se trata de uma nave de metal. São imediatamente capturados e levados para o interior da nave, onde são levados à presença do criador enigmático e comandante da nave, Capitão Nemo.O restante da história segue as aventuras dos protagonistas a bordo do submarino Nautilus, que foi construído em segredo e agora navega os mares livre da obediência a qualquer governo. As motivações do Capitão Nemo são a sede científica do conhecimento, um desejo de vingança e um exílio auto-imposto da civilização. O Capitão Nemo explica que o submarino é movido electricamente e equipado de forma a fazer pesquisa marinha avançada; ele também diz aos seus novos passageiros que embora aprecie ter um especialista como Aronnax para trocar ideias, eles nunca o poderão deixar pois têm medo que traiam a sua existência ao mundo. Arronax está fascinado pelo que consegue ver e estudar mas Land planeia constantemente a fuga. As suas viagens levam-nos a numerosos pontos dos oceanos do mundo, alguns conhecidos de Verne devido a descrições de viajantes e outros puramente ficcionais.