В 1866 году моряки впервые заметили в океане необычный длинный веретенообразный объект, светящийся в темноте и движущийся с большой скоростью, выбрасывая мощные струи воды. Учёные предполагали, что это огромное морское животное, а журналисты превратили этот факт в предмет насмешек. В 1867 году объект столкнулся с пароходом, а затем атаковал почтовое судно, пробив в его днище треугольное отверстие, что сделало морские путешествия опасными. Когда ведущие державы заявили, что не создавали подводных аппаратов, учёные окончательно пришли к выводу, что это существо — гигантский китообразный. Пьер Аронакс, профессор Парижского музея естествознания, предположил, что это огромный нарвал, поднявшийся из глубин и атаковавший корабль своим острым рогом.
Для уничтожения существа был отправлен быстроходный фрегат «Авраам Линкольн». В экспедицию вошли сорокалетний профессор Аронакс, его слуга Консель и отважный канадский китобой Нед Ленд, известный своим волевым характером. Судно под командованием капитана Фарагута направилось в Тихий океан, где в последний раз видели «нарвала». В пути Аронакс и Нед подружились, однако Нед оставался скептиком и не верил в существование чудовища, считая истории газетной выдумкой. За многочисленными глазами экипажа «нарвал» долго не показывался, и спустя три месяца капитан решил повернуть в сторону европейских морей. Поздно вечером 5 ноября Нед заметил объект, началась погоня, но монстр ускользал, вызывая раздражение у преследователей. Обычные снаряды не причиняли вреда «нарвалу». Вечером удалось приблизиться, но гарпун Нед Ленда отскочил от металлической спины существа. «Нарвал» обрушил на палубу мощные водные струи, смыв Аронакса в океан.
Пришедший в себя профессор обнаружил рядом Конселя, который прыгнул за ним в воду. Спасаться было не на что — винт фрегата был сломан, и судно не могло вернуться. Проведя несколько часов на воде, они услышали голос и поплыли на его звук. Вскоре Аронакс наткнулся на твёрдое тело и потерял сознание. Очнувшись, он обнаружил себя на спине «нарвала» вместе с Конселем и Недом Лендом, которого выбросило за борт при столкновении, но он успел взобраться на металлический корпус подводного судна. Судно начало движение, затем резко ускорилось, и друзья с трудом удерживались на поверхности. Почувствовав погружение, они постучали по корпусу, и из люка вышли восемь крепких мужчин с закрытыми лицами, которые повели их внутрь.
Пленников заперли в помещении, обитым железом. Через некоторое время к ним вошёл высокий, красивый мужчина с гордой осанкой и спокойным взглядом. Он притворился, что не понимает европейских языков, и вскоре покинул комнату. Несколько дней друзья находились в заточении, в это время подводная лодка продолжала движение, а Нед строил планы побега. Позже этот же мужчина заговорил с Аронаксом по-французски, представившись капитаном Немо, что в переводе с латыни означает «Никто». Он предложил пленникам свободу передвижения по судну в обмен на обещание не вмешиваться в дела капитана. Аронакс понял, что в прошлом Немо скрывается страшная тайна, и порвал все связи с внешним миром, как и его спутники.
Подводная лодка, названная «Наутилус», была построена по чертежам капитана Немо из деталей, изготовленных в разных странах и собранных на собственной верфи. Двигалась она за счёт электричества, получаемого из огромных натриевых батарей. Все необходимые ресурсы судно добывало из океана, включая одежду из водорослей. «Наутилус» поднимался на поверхность лишь для определения положения, обновления запасов воздуха и охоты с использованием специальной водонепроницаемой шлюпки. После получения обещания капитан показал Аронаксу все чудеса своего судна, включая большую библиотеку и музей морских глубин. Профессору была предоставлена каюта рядом с капитанской, а также возможность участвовать в научных исследованиях. Команда же была замкнутой и говорила на искусственном языке, полностью преданной Немо, которого он считал главой своей семьи.
Немо намеревался совершить кругосветное путешествие по океанам. После последнего определения местоположения 8 ноября «Наутилус» погрузился на 50 метров и взял курс на восток-северо-восток по течению Куро-Сиво. В этот день друзья впервые увидели морские глубины через толстые хрустальные иллюминаторы, открывающиеся лишь на несколько часов в сутки. 10 ноября Аронакс начал вести дневник на бумаге из водорослей. Через пять дней они получили от капитана письменное приглашение на охоту в лесах острова Креспо. Нед сразу задумался о побеге, но охота оказалась подводной. Гарпунёр отказался надевать резиновый скафандр с медным шлемом и баллоном, а вместе с Немо, Аронаксом и Конселем отправился в подводный лес из водорослей. Учёный был поражён увиденным, а капитан продемонстрировал меткость, убив из воздушного ружья альбатроса. Возвратившись на «Наутилус», они подстрелили морскую выдру и избежали встречи с акулами.
В последующие недели встречи Аронакса с Немо стали редкими. Каждый день судно всплывало для определения координат, а днём капитан открывал ставни иллюминаторов. 26 ноября «Наутилус» пересёк тропик Рака, миновал Сандвичевы острова и направился на юго-восток мимо Гавайев и Маркизских островов, которые профессор видел лишь издалека. Пройдя тропик Козерога, судно свернуло на запад-северо-запад и миновало остров Таити, преодолев к этому времени 8100 миль. 4 января «Наутилус» подошёл к Торресову проливу между Австралией и Новой Гвинеей. Несмотря на опасность, капитан решил пройти через пролив, но сел на мель у острова Гвебороара. Немо назвал это случайной помехой и стал ждать полнолуния 9 января, когда прилив должен был освободить судно. Аронакс сомневался в успехе, а Нед считал, что «Наутилус» больше не сможет плавать.
Воспользовавшись вынужденной стоянкой, друзья отправились на берег за свежим мясом, которого так не хватало Неду. Во время охоты их атаковала группа кровожадных туземцев, и они были вынуждены укрыться на «Наутилусе». Папуасы предприняли нападение на подводную лодку, но начавшийся прилив освободил судно с кораллового ложа, и оно направилось в Индийский океан. Немо продолжал заниматься научными исследованиями, обсуждая, в частности, изучение плотности морской воды. Аронакс заметил, что капитан посещает густонаселённые места. 18 января «Наутилус» долго не погружался, будто ожидая кого-то, а увиденный в подзорную трубу корабль вызвал у Немо раздражение, и друзьям пришлось принять снотворное, чтобы не видеть лишнего.
Проснувшись, профессор оказал медицинскую помощь раненому матросу, но помочь не смог; погибшего похоронили на дне океана, где капитан устроил небольшое кладбище. После этого Аронакс размышлял о личности капитана Немо — учёный, непризнанный гений или мститель. Друзья оставались пленниками «Наутилуса», но Нед Ленд не терял надежды на побег, тогда как профессор хотел завершить кругосветное путешествие и научные труды, а Консель занимался классификацией морских обитателей.
26 января «Наутилус» пересёк экватор и 28 января подошёл к острову Цейлон. Здесь капитан устроил прогулку по жемчужным отмелям Манарского залива, где водилось много акул. Несмотря на опасность, Аронакс согласился, а Нед и Консель не боялись. Им выдали лишь кинжалы, и капитан показал подводный грот с огромной жемчужиной, выращенной им для музея. Возле грота акула напала на индуса, ловца жемчуга. Немо вступил в борьбу с хищницей, и когда она придавила его, Нед спас капитана, пронзив рыбу острогой. Капитан отдал индусу собранный жемчуг и заявил, что всегда будет защищать угнетённых.
7 февраля «Наутилус» миновал Аденский залив и вошёл в Красное море. По мнению Аронакса, из него был лишь один выход, но Немо намеревался пройти в Средиземное через секретный проход под Суэцким перешейком, названный Аравийским туннелем. Нед, хоть и скептически, надеялся добраться в Средиземное и сбежать. Переход состоялся ночью 11 февраля, и Аронакс наблюдал его из капитанской рубки. Утром, увидев Порт-Саид, Нед вновь заговорил о побеге, но профессор и Консель решили остаться. Нед получил обещание бежать при первой возможности и планировал воспользоваться шлюпкой около обитаемого берега.
14 февраля капитан казался ожидающим кого-то. Наблюдая за морскими обитателями, Аронакс заметил пловца, знакомого Немо. Капитан достал из сейфа золотые слитки, заполнил ими сундук и отправил его с посланием на греческом языке. Скоро шлюпка покинула «Наутилус». Немо не любил Средиземное море, и «Наутилус» пересёк его за 48 часов, двигаясь с такой скоростью, что Нед забыл о побеге. 18 февраля судно вышло в Атлантический океан, и Нед решил попытать счастье вечером. Аронакс, посетив капитанскую каюту, заметил портреты борцов за свободу и предположил, что Немо может быть связан с революционным движением.
Побег был сорван. Капитан пригласил профессора на прогулку к затопленному испанскому галеону, полному золота, что свидетельствовало о неограниченных богатствах Немо. Наутро «Наутилус» оказался далеко от берегов Европы. 19 февраля Аронакс совершил подводную прогулку с Немо по скалам и лесу из окаменевших деревьев, за которыми скрывался действующий вулкан, освещавший когда-то населённую равнину, Атлантиду. Прогулка продолжалась всю ночь.
21 февраля «Наутилус» вошёл в подводный грот необитаемого острова, являвшийся секретной гаванью, образованной внутри потухшего вулкана с озером. Здесь Немо запасался каменным углём для производства натрия. Пока команда грузила уголь, друзья обследовали пещеру, но не нашли выхода на поверхность. Покинув остров, «Наутилус» пересёк Саргассово море и повернул на юг. К 13 марта судно прошло 13 тысяч лье. Путешественникам удалось спуститься на дно Атлантического океана и наблюдать, как стая кашалотов напала на китов. Немо вступился за безвредных животных и с помощью острого шпиля на носу уничтожил почти всех хищников.
Нед Ленд тяготился путешествием и надеялся, что после достижения южного полюса капитан повернёт обратно к обитаемым берегам. 14 марта они увидели первые льды, а 18 марта, когда «Наутилус» оказался во льдах, Немо сообщил о намерении добраться до географического южного полюса, проплыв подо льдами. Профессор поддержал идею, а Нед заперся в каюте. Путешествие увенчалось успехом, и 19 марта «Наутилус» поднялся у небольшого острова недалеко от неизвестного материка. Погода ухудшилась, но 21 марта капитан определил, что судно находится на южном полюсе Земли, где он водрузил чёрный флаг с золотой буквой «N».
На обратном пути «Наутилус» попал в ледяную ловушку, когда перевернувшийся айсберг замкнул судно в ледяном коридоре. Команда принялась прорубать стену, участвуя вместе с капитаном, но вода начала замерзать, создавая угрозу раздавливания. Немо решил проблему, нагревая воду и смешивая её с ледяной. Воздух на судне заканчивался, и когда агония от удушья коснулась Аронакса, «Наутилус» смог прорваться на поверхность.
31 марта судно миновало мыс Горн и свернуло в Атлантический океан, пройдя 17 тысяч лье за полгода. Нед был недоволен, что судно миновало Бразилию на высокой скорости, лишая их шанса на побег. Попытка убежать к берегам Французской Гвианы была сорвана штормом. Немо изменился, став замкнутым и мрачным. 20 апреля команда отражала нападение гигантских кальмаров; в схватке погиб один матрос, а Нед был спасён капитаном, что вызвало благодарность и долг.
Десять дней Немо скорбел по погибшему товарищу. 1 мая «Наутилус» вернулся на прежний курс и направился на север по Гольфстриму. Нед настоял на откровенном разговоре с капитаном. Аронакс выразил опасение, что его труды могут погибнуть под водой, на что Немо показал небольшой нетонущий аппарат для хранения учёных записей, который будет выброшен в океан после смерти капитана. Немо заявил, что покинувшие «Наутилус» не выйдут из него живыми. План побега, назначенный на проход у Лонг-Айленда, сорвался из-за шторма.
Шторм отбросил судно далеко от берега, и Нед отчаялся. «Наутилус» прошёл вдоль подводного плато с трансатлантическим телеграфным кабелем, затем повернул на юг. 1 июня капитан обнаружил место крушения мятежного корабля «Мститель» из флота Французской Республики. Почтив память, судно вышло на поверхность и было обстреляно неизвестным броненосцем. Нед попытался подать сигнал, что вызвало гнев Немо, который потопил корабль, отомстив за утраты в своём прошлом, несмотря на попытки Аронакса помешать ему. Позже капитан в слезах опустился перед портретом молодой женщины с детьми.
После этого «Наутилус» большую часть времени передвигался под водой, а Немо редко покидал каюту. Судно оставалось без присмотра, и Нед решил бежать, заметив землю вдалеке. Друзья проникли в шлюпку, но «Наутилус» попал в страшный водоворот Мальстрим у берегов Норвегии. Шлюпка была оторвана от подводной лодки, а Аронакс потерял сознание. Он очнулся в хижине рыбака на Лофотенских островах рядом с друзьями. О дальнейшей судьбе «Наутилуса» ничего не было известно, однако профессор опубликовал свои записи о путешествии длиной в двадцать тысяч лье.
