1866年，大洋上发生了多起原因不明的海难事故，很多幸存的船员都宣称目睹了体积巨大、游动速度奇快的海怪。1867年，美国政府决定派遣林肯号战列舰去消灭这头作祟的海怪。

    巴黎博物馆生物学教授皮埃尔·阿龙纳斯和他的仆人康塞尔登上了林肯号，此前阿龙纳斯坚信袭船事件都是传说中的“独角鲸”所为，但林肯号上的鱼叉手、加拿大人尼德·兰却认为，造成船难的罪魁祸首是一艘先进的潜水船。

    一天晚上，教授猛然发现漆黑的水面突然冒出一个庞然大物。战舰随即对怪物展开攻击。激战中，阿龙纳斯教授、康塞尔和尼德·兰不幸坠海。在经过几个小时的挣扎后，他们3人登上了一座在海中浮动的钢铁小岛。原来，这就是那只让全世界为之震惊的“海怪”——一艘能够潜入海中航行的新式船只。

    进入这艘怪船后，3个人见到了自称“尼莫船长”的神秘人。尼莫船长介绍，这艘船名为“鹦鹉螺号”，是一艘货真价实的潜水艇。随后，尼莫船长还带领他们参观了“鹦鹉螺号”，令阿龙纳斯教授大开眼界。而最让教授感到震撼的是，这是一艘全部依靠电力推动运行的船只。对于任何一个生活在十九世纪中叶的人来说，这都是难以想象的奇迹。而更加惊心动魄的海底探险也就此展开。

    在近10个月的海底旅行中，“鹦鹉螺号”以12公里的时速，旅行途经太平洋、印度洋、红海、地中海、大西洋、南极，最终回到北冰洋。尼莫船长和他的“客人们”饱览了海底变幻无穷的奇异景观和各类生物，期间经历了搁浅、土著人围攻、同鲨鱼搏斗、冰山封路、章鱼袭击，尼莫船长以惊人的毅力和智慧，指挥全体船员，战胜了这一切艰难险阻。

    当“鹦鹉螺号”进入北冰洋时，3人终于设法逃离了它。