Es la primera novela de una trilogía que está continuada por Los hijos del Capitán Grant y La isla misteriosa. La fragata americana «Abraham Lincoln» se dirige a la caza de un misterioso monstruo marino. En la expedición toman parte un naturalista francés, el profesor Arronnax, acompañado por su criado Conseil, y el arponero Ned Land.
Una ola se los lleva a los tres, que son recogidos por el «monstruo», que en realidad no es otro que el submarino «Nautilus», mandado por el capitán Nemo, el inventor del extraño ingenio de navegación. Los tres viven aventuras increíbles: ven la Atlántida sumergida, cazan en bosques submarinos, y se enfrentan a pulpos gigantescos.
Pero tienen también que asistir, con profundo horror, al hundimiento de un buque con toda su tripulación. Entonces descubren que Nemo es un príncipe indio destronado por los ingleses y que, animado por un odio sombrío, ataca sus naves en todos los mares. Los tres consiguen, finalmente, huir y tocar tierra tras haber sido tragados por el terrible remolino del Maelstróm.