1866年，发生了一件大怪事：海洋中出现了未知的“飞逝的巨礁”，莫名其妙的撞沉了多艘航船，成为了众矢之的。巴黎自然史博物馆教授阿罗纳克斯（“我”）认为怪物是只庞大的独角鲸。尔后，他与他的仆人受邀登上了清除怪物的林肯号。
舰艇在太平洋上游弋了半年，却并未发现其一丝踪迹。在规定的最后期限，加拿大捕鲸手内德·兰德发现了“怪物”。在与它交手时，林肯号全面落败，遭受了灭顶之灾。内德意识到“怪物”其实是潜水艇。于是受难的阿罗纳克斯和他的仆人孔塞伊只得与内德在艇顶苟延残喘。天亮后，潜艇的船员把他们拖入了艇内，他们开始了共计两万里的奇妙旅程。潜艇名为诺第留斯号，是船长尼摩的杰作。它所需的一切皆取自海洋：利用海浪发电，供给潜艇热、光和动力。
阿罗纳克斯及其同伴透过窗子，看到了海底美丽奇特的景象：随波飘荡的海底植物应用尽有，不时在窗外游过几条小鱼，以及形形色色的贝壳、珊瑚……海底的景色令人目不暇接。
后来，阿罗纳克斯及其同伴在潜艇经历了搁浅、受土著围攻等危险，好在最终都能巧妙地化险为夷。
一日，尼摩船长突然下令让阿罗纳克斯他们待在房间里并强迫他们入睡。翌日，阿罗纳克斯被尼摩船长请来治疗一个身受重伤的船员。在船员不治而亡后，尼摩船长哀痛地把他埋葬在瑰丽的珊瑚林里。
又经过了一些有惊无险的小插曲后，他们来到了常年积雪的南极。在驶离南极时，潜艇被一块巨大的冰块砸到，陷入了困境。不一会，潜艇四周就围上了厚厚的冰墙。尼摩船长镇定自若，指挥大家轮班开凿冰墙，并喷射开水阻止水再次结冰，大家在极度缺氧的情况下依然秩序井然。在船员们的共同努力下，潜艇终于冲出了冰墙，离开了南极。在随后的旅行中，尽管海底景色依旧，但长时间的海底生活早已让阿罗纳克斯一行人感到厌倦了。他们在周密的计划后利用附在艇上的救生艇逃走了。尽管救生艇被卷入了旋涡中，但仍将获得了自由，被渔民救起。
