Pada tahun 1866, desas-desus bahawa seekor raksasa laut menyerang kapal di Lautan Pasifik menimbulkan rasa ketakutan dan kebimbangan dalam kalangan pelaut sehingga mengganggu aliran perkapalan sedunia. Prof. Pierre M. Aronnax dan pembantunya, Conseil, hendak ke Saigon namun terkandas di San Francisco di tengah jalan akibat terhentinya kapal mereka. Pihak pemerintah Amerika Syarikat mengundang Aronnax untuk menjalankan ekspedisi untuk membuktikan atau menyangkal kewujudan raksasa tersebut. Mereka diikuti oleh Ned Land, seorang pakar tempuling berperwatakan melagak.

Sang raksasa laut menjelma setelah berbulan-bulan kemudian, ia menghentam kapal frigat tentera laut yang dinaiki oleh Ned dan Aronnax sehungga terhumban dari kapal diikuti oleh Conseil; ketiga-tiga mereka ketakutan menyaksikan kapal mereka musnah teruk sehingga tidak dapat diselamatkan. Mereka bertiga hanyut di tengah lautan sehingga bertembung suatu lembaga berlogam yang aneh, mereka menyedari bahawa "raksasa" yang dicari mereka adalah sebuah kapal buatan manusia yang separa tenggelam dan kelihatan sudah dikosongkan. Aronnax memasuki kapal itu dan menyelam ke dalam Salon, kemudian memandang sebuah upacara pengebumian bawah laut dari sebuah tingkap lihat gergasi.

Ned, Aronnax dan Conseil kemudian ditangkap oleh anak kapal selam yang baru kembali ke kapal induk mereka. Kapten mereka memperkenalkan diri sebagai Nemo, nakhoda kapal Nautilus. Nemo menghantar Ned dan Conseil balik ke geladak, sambil membenarkan Aronnax tinggal dalam kapal sebagai pengiktirafan kepada hasil kerja dan penyelidikannya. Nemo memikat Aronnax untuk kekal bersamanya, tetapi Aronnax lebih rela senasib dengan Ned dan Conseil. Nemo bersiap sedia menenggelamkan kapal Nautilus bersama ketiga-tiga penumpang gelap di geladaknya, tetapi pada saat-saat akhir berubah pendirian dan membenarkan mereka semua tinggal. Selepas bermakan malam, Nemo membawa mereka bertiga dalam ekspedisi bawah laut untuk mengumpul bekalan, tetapi Ned cuba menyelamatkan sebuah peti harta karun dari sebuah bangkai kapal tetapi nyaris dibaham ikan jerung.

Kemudian, Nemo membawa Aronnax ke pulau tahanan Rura Penthe, di mana Nemo mendedahkan dirinya pernah dipenjarakan di situ bersama kebanyakan kakitangan kapal Nautilus. Sebuah kapal senjata belayar pada waktu senja, lalu dihentam oleh Nautilus sehingga kemusnahan angkutan senjata dan kematian seluruh kakitangannya. Apabila disoal oleh Aronnax, Nemo bertegas bahawa tindakannya telah menyelamatkan ribuan orang dari menjadi korban perang; apatah lagi "negara terkutuk" ini pernah membunuh isteri dan anaknya dalam cubaan memaksanya mendedahkan rahsia atomnya. Sementara itu, Ned menemui koordinat markas pulau rahsia Nemo, Vulcania, lalu menghantar pesanan dalam botol dengan mengharapkan kedatangan orang luar untuk membebaskannya.

Di pantai New Guinea, kapal Nautilus terdampar pada sebatang terumbu. Ned dikejutkan oleh tindakan Nemo membenarkannya untuk ke darat bersama Conseil, kononnya untuk mengumpul spesimen. Ned meneroka bersendirian untuk cuba mencari jalan melarikan diri, sehingga dia menemui sejambak tengkorak manusia, dan seorang kanibal dalam sebatang pokok. Ned menyedari dirinya dalam bahaya lalu kembali ke samping Conseil sambil dikejar sampai balik ke Nautilus. Walaupun masih terkandas, Nemo tidak gusar sesekalipun dan serangan puak kanibal ditangkis dari kapal oleh cas elektrik yang berkitar pada badan kapal. Kapten Nemo meradang kerana Ned tidak menurut arahannya, lalu menghukum Ned dengan mengurungnya dalam brig kapal.

Datangnya sebuah kapal perang yang menembak-nembak ke arah kapal selam yang baru melepaskan diri dari terumbu. Maka kapal selam itu menyelami kedalaman sehingga menarik perhatian seekor sotong gergasi. Cas elektriknya tidak berupaya menangkis sotong itu, maka Nemo dan kakitangannya terpaksa timbul lagi untuk melawan dan menurunkan raksasa itu. Dalam pergelutan ini, Nemo terperangkap dalam sebatang sesungut sotong itu; Ned yang terlepas dari kurungan dalam pergelutan, terus menyelamatkan nyawa Nemo. Oleh itu, Nemo berubah hati, dan mahu pula untuk berdamai dengan dunia luar dengan rahsia samudera; inipun tidak berkekalan.

Ketika Nautilus menghampiri Vulcania, Nemo mendapati pulaunya dikepung oleh kapal perang, dan ditumpu oleh angkatan lat. Nemo mendarat untuk memasang bom masa untuk memusnahkan segala penemuannya, tetapi ketika balik ke kapalnya, dia ditembak oleh musuh dari belakang lalu tercedera. Selepas mengemudi kapal selam dari Vulcania, Nemo mengumumkan bahawa dia akan "menerajui Nautilus buat kali terakhir." Seluruh anak kapal menegaskan taat setia mereka kepada Nemo sampai akhir hayat dan berikrar untuk menemaninya pada saat ajal.

Aronnax, Conseil, dan Ned diseret ke dalam kabin masing-masing. Ned melawan balik dan lari ke arah jambatan yang dikosongkan, lalu berjaya menimbulkan semula Nautilus, tetapi terlanggar terumbu lalu menyebabkan kapal cepat kebanjiran. Pada saat-saat akhirnya, Nemo terhuyung-hayang lalu rebah pada tingkap lihat, dan sempat mencelikkan mata ke arah lautan tersayangnya untuk kali terakhir sebelum menghembuskan nafas akhirnya.

Aronnax cuba balik untuk mendapatkan jurnalnya yang diisi catatan pengembaraannya, tetapi Ned terpaksa merebahkannya agar cepat melarikan diri. Mereka menyaksikan Vulcania ranap dalam letupan. Diari pengembaraan Aronnax juga lesap buat selama-lamanya, dan apabila mendengar minta maaf dari Ned, Profesor memujinya kerana "banyak menolong manusia". Gegaran dari letupan itu turut menyebabkan Nautilus lebih cepat karam, dan saat terbenam di bawah ombak buat selamanya, bergemanya kata-kata akhir Nemo kepada Aronnax: "Masa depan kita ada harapan. Apabila dunia kita bersedia untuk kehidupan baru yang lebih sejahtera, segalanya akan tiba juga pada suatu hari nani, atas kerelaan Tuhan."