1866年，在大海的不同地方，一些船只发现了一个怪物，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“林肯号”前去跟踪追捕。法国生物学教授阿龙纳斯应邀参加。
“林肯号”在大海里游弋了三个星期，遇上了这个“怪物”。不一会，教授、他的仆人康塞尔和鲸叉手三人被抛入水中。
教授醒来时，发现自己躺在一个铁屋子里。原来所谓“怪物”，不过是一艘巨大而完全超前于当时科技的一艘潜水艇——鹦鹉螺号。船长尼摩，说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。
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”。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，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，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。
潜艇驶入印度洋，尼摩邀请教授他们到海底参观采珠场。教授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。尼摩把采珠人托出水面，还从自己口袋里取出几颗珍珠送他。
“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。
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，他们历尽艰险，冰山封路，章鱼围攻，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。
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