Vingt mille lieues sous les mers commence par un mystère. Depuis plus d’un an, des navires de haute mer ont signalé avoir heurté une île flottante ou une épave navale submergée, ou avoir été percutés par une baleine géante. Pierre Aronnax, maître de conférences au Muséum d’histoire naturelle de Paris, développe une théorie pour expliquer ces observations déroutantes ; il croit qu’un énorme narval tourmente ces navires. Après que le Scotia, un navire à passagers de la Cunard Lines, rencontre à nouveau cette «créature», les États-Unis équipent une frégate rapide, l’Abraham Lincoln, pour chasser et tuer la bête dangereuse. A cause de sa théorie, Aronnax est invité à se joindre à l’expédition avec Conseil, son serviteur. Ned Land, un célèbre harponneur canadien, est amené pour ses talents de chasseur.
Après de longues recherches infructueuses, l’Abraham Lincoln finit par entrer en collision avec la bête au large du Japon. Aronnax, Conseil et Land sont jetés par-dessus bord et saisissent le dos du monstre pour éviter de se noyer, pour découvrir que sa peau est en acier. La « créature » est en fait un sous-marin.
Les trois sont amenés à bord du sous-marin, appelé le Nautilus, où ils rencontrent le mystérieux capitaine Nemo.
Leur statut sur le navire semble ambigu. Sont-ils des invités, comme insiste Nemo, ou des prisonniers, comme commence à le soupçonner Ned Land ? Nemo leur fait découvrir les merveilles du monde sous-marin. Il leur montre le continent perdu de l’Atlantide et les épaves qu’il a pillées d’or. Il les emmène à travers un passage sous-marin secret de la Méditerranée à la mer Rouge, un passage de Suez là où il n’en existait pas en 1870.
Aronnax est fasciné par ces découvertes sous-marines, mais Ned Land s’impatiente de plus en plus de sa liberté.
Lorsque Nemo guide le Nautilus vers le pôle Sud, le navire se retrouve piégé dans une banquise. Le Nautilus s’échappe de la glace, seulement pour être attaqué par un calmar géant qui coule presque le navire.
Finalement, la fascination d’Aronnax pour Nemo décline, alors que le capitaine attaque les navires qui passent, apparemment par vengeance ou par cupidité. Le Nautilus se dirige vers les eaux du nord et les trois captifs planifient leur évasion des griffes de Nemo, alors même que le navire s’enfonce dans un tourbillon géant.