Vingt mille lieues sous les mers commence par un mystère. Depuis plus d’un an, des navires de haute mer signalent avoir heurté une île flottante ou une épave navale submergée, ou avoir été éperonnés par une baleine géante. Pierre Aronnax, professeur assistant 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 paquebot de la Cunard Lines, ait à nouveau rencontré cette « créature », les États-Unis équipent une frégate rapide, l’Abraham Lincoln, pour chasser et tuer la dangereuse bête. En raison de sa théorie, Aronnax est invité à rejoindre l’expédition en compagnie de Conseil, son serviteur. Ned Land, un célèbre harponneur canadien, est amené pour ses talents de chasseur.
Après de longues et infructueuses recherches, l’Abraham Lincoln entre finalement en collision avec la bête au large des côtes japonaises. Aronnax, Conseil et Land sont jetés par-dessus bord et s’agrippent au dos du monstre pour l’empêcher de se noyer, pour découvrir que sa peau est en acier. La « créature » est en réalité un sous-marin.
Les trois sont amenés à bord du sous-marin appelé Nautilus, où ils rencontrent le mystérieux capitaine Nemo.
Leur statut sur le navire semble ambigu. Sont-ils des invités, comme Nemo l’insiste, ou des prisonniers, comme Ned Land commence à le soupçonner ? Nemo leur fait découvrir les merveilles du monde sous-marin. Il leur montre le continent perdu de l’Atlantide et les épaves d’or qu’il a pillées. Il les emmène à travers un passage sous-marin secret allant de la Méditerranée à la mer Rouge, un passage de Suez 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 pris au piège dans une banquise. Le Nautilus parvient à s’échapper de la glace, mais il est attaqué par un calmar géant qui manque de couler le navire.
Finalement, la fascination d’Aronnax pour Nemo décline, alors que le capitaine attaque les navires de passage, apparemment par vengeance ou par cupidité. Le Nautilus se dirige vers les eaux du nord, et les trois captifs complotent leur évasion des griffes de Nemo, alors même que le navire trébuche dans un tourbillon géant.