Tre män hamnar ombord på ubåten Nautilus, styrd av kapten Nemo. I denna båt färdas de under världshaven och råkar ut för många fantastiska äventyr. De får bland annat se Atlantis, slåss med jättebläckfiskar och gå på jakt i Crespoöns skogar. Verne tar även läsaren med till sydpolen där kapten Nemo som första människa någonsin sätter sin fot.

Boken börjar med att Verne förklarar hur ett undervattenskär upptäcks. Detta diskuteras av hela världen eftersom skäret inte bara beter sig som en val, det tycks även kunna förflytta sig runt jorden med en enorm hastighet. Professor Pierre Aronnax, som har gett ut en bok angående världsdjupens hemligheter får i uppdrag av en tidning att diskutera sin syn på ämnet. Detta gör han och många sluter sig till hans teori om att mänskligheten har att göra med en narval av enorma proportioner.

Denna narval innebär också ett hot mot rederier och fartyg eftersom flertalet skepp har haft sammanstötningar med den. Alltså måste den förintas. Professor Aronnax och hans tjänare Conseil följer med det för detta uppdrag utsedda skeppet Abraham Lincoln Tillsammans med en nyfunnen vän, harpuneraren Ned Land, slungas de överbord under ett möte med "narvalen". De lyckas rädda sig ombord på denna, och finner att det egentligen är en ubåt.

På deras osannolika resa genom världshaven får de bland annat se Atlantis, jättebläckfiskar och gå på jakt i Crespoöns skogar. Verne tar även läsaren med till sydpolen där kapten Nemo som första människa någonsin sätter sin fot. Trots alla äventyr ombord verkar det som om kapten Nemo aldrig vill sätta sin fot på fastlandet igen. Hans ursprung är fortfarande höljt i dunkel när boken slutar, och man får inte närmare besked förrän i Den hemlighetsfulla ön.