1866年，在大海的不同地方，一些船只发现了一个闪闪发亮的怪物，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，美国政府派出护卫舰“林肯号”前去跟踪追捕。法国生物学家阿龙纳斯应邀参加，这个巴黎自然历史博物馆的教授，曾经撰文探讨过这海洋怪物，认为是一头巨大的独角鲸。
“林肯号”在大海里游弋了三个星期，却一无所获。一天晚上，教授正在甲板上欣赏夜景，猛然发现漆黑的水面突然闪现红光，接着冒出一个庞然大物。教授奔回船舱报告了舰长，护卫舰随即向怪物驶去。临近时加拿大捕鲸叉手尼德•兰猛力投出锋利的鲸叉，只听得“当”的一声，仿佛撞击在钢板上，毫无作用。护卫舰便开炮射击，可是炸弹均被怪物的尾部弹出，溅起一片浪花。怪物似乎被激怒了，从头上喷出两股水柱，向护卫舰右舷猛力袭来，随着轰隆一声巨响，教授、他的仆人康塞尔和鲸叉手三人被抛入水中。教授很快就失去了知觉。
教授醒来时，发现自己躺在一个铁屋子里，身边坐着康塞尔和尼德•兰。他大惑不解。两位陌生人进来向他们致意，可是教授试用了几种语言，他们都听不懂。正在为难之时，他们的主人出现了。他身材高大，目光炯炯，用法语作了自我介绍。他叫尼摩，自称与整个人类断绝了关系。他说虽然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。
教授虽然对失去自由感到难过，但是他还是被神秘的潜艇和海底的奥秘所吸引。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”。尽管它的部件是拼凑起来的，可船体坚固，结构合理，承受得起海水的冲击和高压。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。

一、飞逝的巨礁：1866年起，出现了一件大怪事。海洋中发现一个庞然大物，就像飞逝的巨礁，多艘航船莫名其妙的被撞裂了。公众坚决要求把着头怪物从海洋里清除掉。
二、赞成与反对：对怪物主要有两派看法，一派认为是一种力大无穷的怪物，另一派则认为是一艘动力强大的“海下船”。阿龙纳斯教授（法国巴黎自然史博物馆教授阿罗纳克斯）认为，怪物是一种力量大得惊人的“独角鲸”。美国海军部组织了一艘名为亚伯拉罕·林肯号的快速驱逐舰，准备去清除“怪物”。阿龙纳斯教授应邀随行。
三、随先生尊便：阿龙纳斯教授的仆人孔塞伊不假思索的说：“随先生尊便。”跟阿龙纳斯教授一同上了以法拉格特为舰长的驱逐舰。驱逐舰从布鲁克林码头扬帆起锚，向大西洋全速前进。
四、内德·兰德：舰长和全体海员同仇敌忾，决心一定要捕获独角鲸。只有加拿大人捕鲸手内德·兰德对独角鲸的存在表示怀疑。
五、向冒险迎去：舰只在太平洋上游弋。大家的眼睛睁得大大的，努力地观察海面。三个月过去了，海员们开始泄气了，开始怀疑自己这次搜寻行动的意义。半年后，海员们要求返航。舰长许诺最后搜寻三天，三天后如果还无结果就将回去。到了规定期限的最后时刻，一向无动于衷的内德·兰德突然喊叫起来，他发现了怪物。
六、全速前进：林肯号企图捕获独角鲸，而独角鲸却若无其事地同林肯号捉迷藏。经过一夜一天的追逐周旋，到第二天晚上，双方形成对峙。当林肯号向独角鲸发起进攻时，独角鲸却突然熄灭电光，向林肯号喷射大水。林肯号遭遇了灭顶之灾。
七、不知其种属的鲸鱼：阿龙纳斯教授被抛入海里，与孔塞伊在海中相依为命。正当筋疲力尽就要沉入海底时，被躲在独角鲸背上的内德·兰德拉出水面。内德说，这怪物不是鲸，是钢制的。阿龙纳斯教授这才断定它是一艘潜水艇。阿龙纳斯教授们在艇顶苟延残喘。天亮时，艇盖掀开，八个壮汉出来，把阿龙纳斯教授们拖进艇里去。
八、动中之动：阿龙纳斯教授们三人被关进一间黑屋子。半小时后，突然眼前一亮，进来两个人。阿龙纳斯教授们用法语、英语、德语和拉丁文进行自我介绍，对方均无反应。他们走了，侍者送来食物，阿龙纳斯教授们饱餐后就进入了梦乡。
九、内德·兰德的怒火：潜水艇浮出海面更换新鲜的空气。三人仍被关在铁屋子里，内德怒气冲天，他想逃跑，又想夺取这条艇。一个侍者进来时被他出其不意地打倒在地掐得半死。这时候，一个说法语的人出现了。
十、海洋人：讲法语的就是这艘鹦鹉螺号潜水艇上的尼摩（意为“不存在的人”）艇长。他说第一次见面保持沉默是为了了解阿龙纳斯教授们，其实那四种语言他都听的懂。他要阿龙纳斯教授们听从他的命令，否则将置阿龙纳斯教授们于死地。尼摩艇长说，他们的衣食用都取自海洋，他热爱海洋，海洋中没有争斗、厮杀和独裁。
十一、 鹦鹉螺号：尼摩艇长带阿龙纳斯教授们参观“鹦鹉螺号”上有一万两千册藏书的图书室，给阿龙纳斯教授抽用海带制成的雪茄，观赏他收集的标本，又看了他为阿龙纳斯教授准备的雅致的房间以及他自己住的简陋的房间。
十二、 一切都用电：尼摩艇长给阿龙纳斯教授们介绍房间里各种仪表的用途，如何开采海底矿藏，如何发电，如何提供空气，又介绍一只小艇的用途，还带阿龙纳斯教授参观了厨房。
十三、 几组数字：尼摩艇长向阿龙纳斯教授介绍潜水艇的概况、构造、动力、发光、建造过程等。
十四、 黑潮：海底探险旅行正式开始。潜艇在海面以下五十米深处穿越黑水流。阿龙纳斯教授和两位同伴尽情观赏形态美丽、活泼可爱的鱼儿。
十五、 一封邀请信：尼摩艇长给阿龙纳斯教授一封邀请信，请阿龙纳斯教授到海底森林打猎。
十六、 漫步海底平原：阿龙纳斯教授和孔塞伊穿上防水衣服随尼摩艇长漫步海底平原，欣赏海洋奇物。
十七、 海底森林：阿龙纳斯教授们来到海底森林。仔细观察海底生物。还在海底睡了几个钟头。来到克雷斯波岛的海底绝壁，遇到巨形海蜘蛛，打到一只海獭，躲过了角鲨的侵袭。
十八、 太平洋下四千米：潜艇在太平洋下穿行，令人大开眼界。一天，看到一条沉船，凄惨的海难情景令人惊悚。
十九、 瓦尼可罗群岛：尼摩艇长从瓦尼可罗群岛海底遗物中揭开在十八世纪末两艘法国探险船只失踪的真相。
二十、 托雷斯海峡：潜艇经由地球上最危险的海峡——托雷斯海峡前往印度洋，中途触礁搁浅。经艇长同意，阿龙纳斯教授和两位同伴坐小艇上格波罗阿尔岛去。
二十一、 陆上几日：阿龙纳斯教授和两位伙伴一起上小岛采摘野果、狩猎，捉到一只被豆蔻汁给迷醉的极乐鸟。
二十二、 尼摩艇长的闪电：土著的巴布亚人发现了阿龙纳斯教授们，他们（巴布亚人）追赶到沙滩，后来还划来独木舟围住鹦鹉螺号，企图向阿龙纳斯教授们发起进攻。尼摩艇长将电通到艇外壳，土著人触电后吓得魂飞魄散退走了。鹦鹉螺号被涨起来的海潮托起，离开了珊瑚石床，时间正如艇长所预料的分毫不差。
二十三、 强制性睡眠：潜艇在印度洋行驶。尼摩艇长对不同深度的海水温度进行测量，发现水下一千米以下的海水是恒温的。阿龙纳斯教授们目睹了有趣的一幕：海面上磷光闪烁，把大海照得如同白昼，原来是一些小水母球发光造成的。有一天，尼摩艇长突然下令将阿龙纳斯教授们关起来，并强制阿龙纳斯教授们睡眠。
二十四、 珊瑚王国：第二天，艇长带阿龙纳斯教授们来到五彩缤纷的珊瑚王国，把一位因伤而死的艇员安葬在珊瑚墓园里。
二十五、 印度洋：鹦鹉螺号在印度洋穿行，阿龙纳斯教授们看到了基灵岛，看到了“船蛸”，在孟加拉湾漂浮着无数的尸体，还看到了一望无垠的“牛奶海”。
二十六、 尼摩艇长的新建议：艇长给阿龙纳斯教授们介绍原始的采珠法，采珠人悲惨的生活，建议阿龙纳斯教授们参观锡兰岛的采珠场。
二十七、 一颗价值千万的珍珠：艇长带阿龙纳斯教授们观看一颗大如椰子的珍珠。一个采珠人正辛苦地采珠，突然一头大鲨鱼向他发起进攻，艇长舍身相救，与巨鲨展开殊死搏斗。正当艇长危在旦夕时，内德·兰德一叉刺中鲨鱼要害。艇长把采珠人救到小船上，并赠送一袋小珍珠。
二十八、 红海：鹦鹉螺号在红海上劈波斩浪。尼摩艇长跟阿龙纳斯教授介绍红海得名的原因和他发现从红海通往地中海的地下通道“阿拉伯隧道”的经过。
二十九、 阿拉伯隧道：内德·兰德在红海上用捕鲸叉勇敢地击杀庞大的儒艮。尼摩艇长亲自指挥，潜水艇顺利穿过苏伊士地峡。
三十、 希腊群岛：尼摩艇长把大量的黄金赠送给一个潜水员。鹦鹉螺号来到桑多林岛附近，阿龙纳斯教授目睹了海底火山喷发的壮观奇景。
三十一、 地中海上的四十八小时：鹦鹉螺号在地中海底穿行，阿龙纳斯教授看到许多的遇难船只的残骸静卧在那里，惨不忍睹。
三十二、 维哥湾：潜艇正沿着葡萄牙海岸行驶，内德·兰德做好了潜逃的准备，敦促阿龙纳斯教授逃跑，阿龙纳斯教授心里很矛盾，很不安。潜艇在维哥湾停了下来，艇长给阿龙纳斯教授讲述1702年西班牙船只被英国海军战败沉没的历史，他命令艇员潜水搬取当年沉船上数不尽的金银珍宝。
三十三、 失踪的大陆：潜艇背向欧洲驶去，离大陆越来越远，阿龙纳斯教授们失去了一次逃跑的机会。尼摩艇长带阿龙纳斯教授在夜间到三百米深的大西洋底去参观柏拉图笔下的大西洋城——亚特兰蒂斯。
三十四、 海底煤矿：潜艇来到一个已经熄灭了的火山中心取燃料，阿龙纳斯教授和同伴出去游览了一通。
三十五、 马尾藻海：潜艇来到马尾藻海。下潜到海底一万六千米的深度竟安然无恙。
三十六、 抹香鲸和长须鲸：鹦鹉螺号驶向南大西洋海域，海面上出现了一群长须鲸，捕鲸手内德·兰德向艇长请求让他去捕杀，却被艇长劝住了。艇长说，人类不应该滥杀这种善良无害的动物。不一会儿，来了一大群长须鲸的天敌——抹香鲸，鹦鹉螺号为了保护长须鲸狠狠地冲杀抹香鲸。
三十七、 大冰盖：鹦鹉螺号开往终年积雪结冰的南极圈，冲撞大冰盖，浮出水面。
三十八、 南极：阿龙纳斯教授和尼摩艇长登上南极大陆，观察到南极特有的美丽景观。
三十九、 大事故还是小插曲：潜艇在驶离南极时，被一大块倒下来的冰块砸到了，潜艇一时找不到出路，陷入困境。
四十、 缺氧：潜艇四周都围着厚厚的冰墙。艇长镇定自若地指挥大家轮班开凿冰墙，喷射开水阻止新的结冰。艇内极度缺氧，但秩序井然。经过共同努力，潜艇终于冲出冰墙，冲破冰原，呼吸到了新鲜的空气。
四十一、 从合恩角到亚马逊河：潜艇从大西洋往北，沿着南美洲的曲折海岸行驶，在亚马逊河口，阿龙纳斯教授们用印颈鱼作饵来钓海龟。
四十二、 章鱼：潜艇来到留卡斯群岛附近，突然围上一群大章鱼。章鱼缠住螺旋桨，潜艇动弹不得。在艇顶平台上，人和章鱼展开了激烈的搏斗。在生死关头，尼摩艇长挺身而出救下了处于死亡边沿的内德·兰德。
四十三、 墨西哥湾暖流：尼摩艇长为在人鱼大战中牺牲的艇员而哀伤。鹦鹉螺号继续向北，航行在墨西哥湾暖流上。艇长将自己的研究总结用几种不同的语言写成，签上名字，装进一只容器中扔进大海，希望能为人类所得。阿龙纳斯教授向他提出离开潜艇的要求遭到拒绝。暴风雨来临，艇长站在艇顶迎接风浪，岿然不动。
四十四、 北纬47度24分，西经17度28分：尼摩艇长潜入海底凭吊英勇不屈的复仇者号。
四十五、 大屠杀：一艘战舰向潜艇发起攻击，经过几番周旋，潜艇将战舰撞沉，艇长获得了一份复仇的快感。
四十六、 尼摩艇长最后的话：阿龙纳斯教授逃离潜艇前听到他正在静静地忏悔；阿龙纳斯教授们三人利用附在潜艇上的小艇逃跑，可恰在此时，潜艇被卷入了大旋流中，阿龙纳斯教授们的小艇也难逃厄运。
四十七、 尾声：阿龙纳斯教授和两个同伴被罗佛丹群岛的渔民救起。尼摩艇长及其鹦鹉螺号一起下落不明。