海中有不明物体引发各国关，阿龙纳斯教授受邀参与调查。林肯号驱逐舰奉命追踪这一“海怪”，数月搜索果后，终在太平洋海域发现目标。教授与助手康塞尔、捕鲸手内德·兰德目睹“海怪”，船只遭撞击，三人落水后被“海怪”救起，方知其为一艘名为“鹦鹉螺”的潜水艇。尼摩船长接待三人，展示潜艇构造与功能，说明其能源来自海洋，生活物资亦取自海中。潜艇下潜至深海，众人首次体验海底世界，见各类奇异生物。潜艇穿越太平洋，途经珊瑚礁，尼摩船长为同伴举行海底葬礼。进入印度洋，教授等人随尼摩船长前往采珠场，目睹船长勇斗鲨鱼救下采珠人。红海航行中，潜艇通过尼摩发现的阿拉伯隧道进入地中海，速度惊人。在维哥湾，潜艇潜入海底，展示数百年前沉船中的金银财宝。海底平原上，众人漫步观察海洋生物，又遇海底火山喷发，景象壮观。潜艇驶向南极，冲破冰层抵达南极点，却因冰层封闭陷入缺氧危机，最终全员奋力凿冰得以脱困。穿越大西洋时，潜艇遭章鱼袭击，船员与章鱼展开殊死搏斗。尼摩船长驾驶潜艇撞击一艘战舰，疑似复仇之举，教授等人察觉其隐秘过往。潜艇在挪威海域遭遇大漩涡，教授三人趁机乘小艇逃离，鹦鹉螺号与尼摩船长的去向成谜。
