1866年，在海上发现了一头被认为是独角鲸的大怪物。法国生物学家阿龙纳斯应邀参加追捕。追捕过程中，阿龙纳斯、他的仆人康塞尔和捕鲸叉手尼德?兰三人，发现这怪物不是什么独角鲸，而是一艘构造奇妙的潜艇。
潜艇船长尼摩，是个不明国籍、自称“跟整个人类断绝了关系”的神秘人物，身材高大，神情自信、坚毅。尼摩邀请阿龙纳斯参观了这艘令人惊叹的现代工业的杰作—一诺第留斯号;它利用海浪发电，供给船上热、光、动力;它所需的一切都取自海洋。它是尼摩在大洋中的一个荒岛上秘密建造起来的。
阿龙纳斯及其同伴乘诺第留斯号，从太平洋出发，开始了海底探险旅行。透过潜艇玻璃窗，海洋把各种光怪陆离的景象展现在他们面前:应有尽有的海底植物，空中飞鸟般的各种鱼类，以及到处皆是的形形色色的节肢动物、软体动物……使人目不暇接。他们观察着，研究着。途经克利斯波岛，潜艇停在海底，他们穿上潜水衣，漫步在海底平原上，用特制的步枪在海底森林里打猎。书中描写海底奇妙的世界，令人称奇:
这真是一片奇妙又少见的海底森林，生长的都是高大的木本植物，小树上丛生的枝权都笔直伸向洋面。没有枝条，没有叶脉，像铁杆一样。在这像温带树林一般高大的各种不同的灌木中间，遍地生长着带有生动花朵的各色珊瑚。美丽极了!
尔后，潜艇经历了搁浅、土人围攻等危险，安然驶向印度洋。这时发生了一件离奇的事。尼摩船长从海面上望见了什么，突然充满了愤怒和仇恨。他粗暴地把阿龙纳斯及其同伴们禁闭在小房间里，并强迫他们人睡。翌日，阿龙纳斯醒来，尼摩船长请他治疗一个身受重伤的船员。船员不治身死。尼摩船长哀痛地带着送葬队伍，把死者埋在海底光彩夺目、瑰丽无比的珊瑚树林里。他说:在这里，珊瑚虫会把死者永远封闭起来，不受鲨鱼和人的欺负!
印度半岛南端的锡兰岛在面前了。阿龙纳斯接受尼摩船长的建议，步行到海底采珠场。忽然，有条巨鲨向采珠人扑来。尼摩船长手拿短刀，挺身跟鲨鱼搏斗。在尼摩船长被鲨鱼的巨大躯体所压倒，危在旦夕时，尼德?兰迅速投出利叉，击中鲨鱼的心脏。船长救起那个穷苦的采珠人，又从自己口袋里取出一包珍珠送给他。由此，阿龙纳斯感到在尼摩身上有两点值得注意:一是他无比勇敢，二是他对人类的牺牲精神。看来，这个古怪的人还没有完全斩断他爱人类的感情。
从红海到地中海，若走好望角，需绕行非洲一周。但尼摩船长沿着他所发现的一条阿拉伯海底通道潜行，不到二十分钟，就通过苏伊土地峡，到达地中海。书中写道:诺第留斯在沿着又黑又深海底地道直冲过去。随着地道的斜坡，潜艇像箭一般随急流而下。地道两边狭窄的高墙上，只见飞奔的速度在电光下所画出的辉煌纹路，笔直成条。令我们心跳不止。
潜艇向康地岛驶去。这时，又发生了一件蹊跷事:随着凌晨潜艇窗前一个潜水人的出现，尼摩船长从橱内取出数百万黄金，写上地址，派人用小艇送走。这么多金子送到哪里呢?阿龙纳斯觉得，神秘的尼摩与陆地仍有某种联系。
潜艇穿过桑多林岛火山区海域的沸腾的水流，从直布罗陀海峡出来，驶到大西洋，停在维多湾海底。这里是1702年时的海军战场，当时给西班牙*运送金银的船只在此沉没，海底铺满了金银珠宝。尼摩派出船员，把千百万金银装进潜艇。阿龙纳斯对这许多财富不能分给穷人表示惋惜。船长听了激动地回答:“我打捞这些财物是为了我自己吗?你以为我不知道世上有无数受苦的人们，有被压迫的种族，有要报仇的牺牲者吗?”阿龙纳斯于是明白了尼摩船长那次途经康地岛时送出去的数百万金子是给谁的。
在大西洋海底，阿龙纳斯随尼摩船长去做了一次新奇旅行;他们脚踩在沉没了的大陆——一大西洋洲的一座山峰上，观赏一座火山的海底喷火口喷出硫磺火石的奇景。眺望山脚下一座破坏了的城市—一整个沉没水底的庞贝城。书中描述传说中的海底古城:
远处是一座火山。山峰下面，在一般的石头和渣滓中间，一个阔大的喷火口吐出硫磺火石的急流，四散为火的瀑布，没入海水里，照着海底下的平原，一直到远方的尽头，我的眼下是一座破坏了的城市，倒塌的房屋，破损零散的拱门，倒在地上的石柱。远一点，是一些小型工程的废墟。更远一些，有一道道倒塌下来的城墙，宽阔无人的大陆，整个水下淹没的庞贝城，现在都复活过来，出现在我眼前了。
然后，诺第留斯号大胆向南极进发，潜艇航行在成群的鲸鱼中间。尼德?兰要求追打鲸鱼。尼摩部长不同意伤害这些善良无害的长须鲸。当海面上出现残酷的大头鲸向长须鲸进攻时，尼摩船长决定援救长须鲸。诺第留斯号用它那钢制的冲角，直穿大头鲸。经过一场恶斗，海上满浮着大头鲸的尸体。穿过南极点后，潜艇又历经冰山封路、章鱼袭击等险情，都是尼摩船长以惊人的冷静和毅力，带领船员战胜了困难。
最后，潜艇驶过被称为风暴之王的大西洋暖流，来到了一艘法国爱国战舰沉没的地点。尼摩满怀激情地讲述了这艘“复仇号”战舰的历史。这引起阿龙纳斯的注意，把尼摩船长和他的同伴们关闭在诺第留斯号船壳中，并不是一种普通的愤世情绪，而是一种非常崇高的仇恨。那一夜在印度洋上，它不是攻击了某些船只吗?那个葬在珊瑚墓地的人，不正是诺第留斯号引起的冲突的牺牲者吗?而在所有的海面上，人们也正在追逐这可怕的毁灭性机器!
当诺第留斯号慢慢回到海面上来时，便有爆炸声发出:有艘战舰正向诺第留斯号发动攻击。尼摩船长决心把它击沉。阿龙纳斯试图劝阻，但船长说:“我是被压迫，瞧，那就是压迫者!由于他，所有一切我热爱过的，尊敬过的，祖国、父母、爱人、子女他们全死亡了!所有我仇恨的一切，就在那里!”
船长不愿这艘战舰的残骸跟“复仇号”的光荣残骸相混，他把战舰引向东方。第二天，可怕的打击开始了!诺第留斯号故意让敌人接近，再在推进器的强大推动下，用那厉害的冲角对准战舰浮标线以下的薄弱部位，从它身上横穿过去!瞬间，战舰船壳裂开，继而发生爆炸，迅速下沉。它的桅樯架满挤着遇难人。然后，那黑沉沉的巨体没入水中，跟它一起，这群死尸统统被强大无比的漩涡卷走……
阿龙纳斯目睹这场惨景，对尼摩船长极端厌恶:“虽然他从别的方面可能受过很大的痛苦，但他没有权利来做这样残酷的报复。”阿龙纳斯在船上听到了尼摩船长的最后几句话:“全能的上帝!够了!够了!”
在挪威沿岸一带的危险海域中，阿龙纳斯和尼德?兰、康塞尔，乘坐小艇脱离了诺第留斯号，结束了这次穿过太平洋、印度洋、红海、地中海、南北两极海洋的海底两万里环球旅行。阿龙纳斯希望:“如果尼摩船长老是居住在他所选择的海洋中，但愿所有仇恨都在这颗倔强的心中平息!……但愿他这个高明的学者继续做和平的探工作!”
尼摩船长本是印度的达卡王子。10岁时，他的父亲把他送往欧洲去接受教育，准备将来接替王位。达卡王子天资聪明，从10岁到30岁，他积累了各方面的知识，在科学、文学和艺术领域更具有杰出的才华。
1849年，达卡王子回到自己的祖国。他娶了一个印度的贵族女郎为妻。他们一共生了两个孩子，夫妻俩非常喜爱他们。
和其他被奴役的印度人一样，达卡王子是一位爱国者。他热爱自己的祖国，仇恨奴役压榨印度的英国殖民者。1857年，达卡王子组织了几次大规模的反殖民抵抗运动。在每一次激烈的战斗中，他总是身先士卒，站在战斗的最前列。为此，达卡王子赢得了广大印度人民的拥护和爱戴。英国殖民者对他恨之入骨，千方百计想杀害他。为了躲避敌人，他不得不逃离祖国。然而他的妻子和儿女，却被敌人残酷的杀害了。
达卡王子对敌人充满仇恨，他带着自己剩余的财产和忠于他的一群伙伴，在某一天忽然失踪了。从此，世界上再也没有达卡王子。他已经对人类的一切产生厌恶，对文明世界的一切不公平充满敌意。他发誓永远不再回到自己的祖国。他要在人们无法追踪他的地方，在海洋的深处，建立自己永久的栖身之地。
达卡王子在太平洋的一个荒岛上建立了一个造船厂。凭借雄厚的经济实力和超人的智慧，他亲自设计建造了一艘举世无双的潜水艇。在这之后，他一把火烧掉了这个荒岛。他用海水中的钠，这样一种独特的发明——达卡王子预言人类以后将会实现——制造出了万能的电力。有了电力，他的潜水艇就有了永不枯竭的动力。海洋深处埋藏着取之不尽的宝藏，为他的所有活动提供了充足的财源和物资。从此，他自称尼摩船长，他把他的潜艇命名为诺第留斯号(又译，鹦鹉螺号)，神不知鬼不觉地将它隐藏在海洋深处。他是个善良的人。
