La historia cuenta el largo periplo de varios personajes a bordo del Nautilus, una sofisticada embarcación submarina. El profesor Aronnax, que es quien cuenta la historia, su criado Conseil y el arponero canadiense Ned Land, son rescatados por la misteriosa nave, comandada por el no menos misterioso Capitán Nemo. A partir de ahí, recorrerán los mares, descubrirán sus secretos más ocultos y fantásticos como la Atlántida, llegarán a los bordes del mundo y se enfrentarán a increíbles monstruos, mientra intentan develar el mayor de los enigmas que encierra el Nautilus y el libro: el alma del Capitán Nemo, torturada y noble, tan inclinada al odio como al amor.

En esta novela, Verne una vez más anticipa los logros científicos y técnicos que un siglo más tarde alcanzaríamos, pero esta vez da un paso más allá, mostrando el lado oscuro del progreso. En el Capitán Nemo, sus intenciones humanitarias se entremezclan con su afán destructivo, y su creación, el Nautilus, es tanto un avance de la ciencia que nos permite conocer la profundidad de los mares, como una temible arma mortal.