26 июня 1864 года экипаж яхты «Дункан», принадлежащей лорду Эдуарду Гленарвану, видному члену Королевского яхт-клуба Темзы и состоятельному шотландскому землевладельцу, вылавливает в Ирландском море акулу, в желудке которой обнаруживается бутылка с запиской на трёх языках — английском, немецком и французском. В записке кратко сообщается о том, что во время крушения судна «Британия» спаслись трое — капитан Грант и двое матросов, оказавшиеся на неизвестной земле. Указаны широта и долгота, однако часть координат, относящаяся к долготе, неразборчива. Сообщается, что спасённые находятся на 37°11’ южной широты, а долгота остаётся неопределённой. Таким образом, поиск капитана Гранта и его спутников необходимо вести вдоль 37-й параллели. Английское адмиралтейство отказывается организовать спасательную экспедицию, но лорд Гленарван и его супруга решают предпринять все возможные меры для розыска капитана. Они знакомятся с детьми Гарри Гранта — шестнадцатилетней Мэри и двенадцатилетним Робертом. Яхта готовится к дальнему плаванию, в котором принимают участие Элен Гленарван, жена лорда, обладающая мужеством и добротой, и дети капитана Гранта. В экспедиции также участвуют майор Мак-Наббс, молчаливый и добродушный родственник Гленарвана; капитан «Дункана» Джон Манглс, двоюродный брат лорда, энергичный и отважный; помощник капитана Том Остин — опытный и заслуживающий доверия моряк, а также двадцать три члена судовой команды, все шотландцы.
25 августа яхта «Дункан» покидает Глазго. На следующий день выясняется, что на борту присутствует ещё один пассажир — француз Жак Паганель, секретарь Парижского географического общества. По своей рассеянности он перепутал суда и, намереваясь отправиться в Индию на пароходе «Шотландия», случайно оказался на «Дункане», где проспал тридцать шесть часов, чтобы лучше перенести качку, и не выходил на палубу до второго дня плавания. Узнав цель экспедиции, Паганель решает изменить свои планы и присоединиться к путешественникам.
Переплыв Атлантический океан и пройдя через Магелланов пролив, «Дункан» входит в Тихий океан и направляется к берегам Патагонии, где, согласно первоначальному толкованию записки, капитан Грант может находиться в плену у индейцев. Лорд Гленарван, майор Мак-Наббс, Паганель, Роберт и трое матросов высаживаются на западном побережье, в то время как Элен Гленарван и Мэри под охраной Джона Манглса остаются на яхте, которая должна обогнуть континент и ждать их у мыса Корриентес на восточном побережье.
Путешественники пересекают Патагонию, следуя по 37-й параллели, сталкиваясь с различными опасностями. Во время землетрясения в Чили Роберт пропадает. Поиски ребёнка оказываются безрезультатными, пока однажды путники не замечают кондора, уносящего Роберта в воздух. Когда майор Мак-Наббс собирается выстрелить в птицу, неожиданно звучит другой выстрел, и раненая птица опускает ребёнка на землю. Выясняется, что стрелял туземец по имени Талькав, который становится проводником и другом путешественников. В пампасах группа сталкивается с опасностью гибели от жажды. Талькав, Гленарван и Роберт отправляются на поиски воды и ночью подвергаются нападению красных волков. Роберт, рискуя жизнью, уводит стаю от спутников, спасаясь сам и воссоединяясь с остальными. Позже отряд переживает наводнение и спасается, взобравшись на большое ореховое дерево, которое, несмотря на ураган, удерживается на воде и помогает им доплыть до суши.
Паганель выдвигает гипотезу, что записка капитана Гранта была неверно истолкована и речь в ней идёт не о Патагонии, а об Австралии. Он аргументированно убеждает спутников, и они решают вернуться на «Дункан», чтобы продолжить плавание к австралийскому побережью. По пути обследуются острова Тристан-да-Кунья и Амстердам безрезультатно. Затем яхта достигает мыса Бернулли на австралийском берегу. Лорд Гленарван высаживается на сушу и встречает ирландского фермера, который радушно принимает путешественников. В разговоре выясняется, что один из его работников, Айртон, бывший боцман «Британии», утверждает, что капитан Грант, если жив, находится на восточном побережье Австралии в плену у туземцев. Айртон рассказывает, что был высажен с корабля за попытку мятежа, и до настоящего времени считал себя единственным выжившим.
Его слова воспринимаются всерьёз, и лорд Гленарван решает пересечь Австралию вдоль 37-й параллели. В небольшой экспедиции участвуют Гленарван с женой, дети капитана Гранта, майор Мак-Наббс, Паганель, капитан Манглс, Айртон и несколько матросов. «Дункан», получив повреждения, направляется в Мельбурн для ремонта, где команда остаётся под руководством Тома Остина.
Женщины путешествуют в повозке, запряжённой быками, мужчины верхом на лошадях. Путешествие начинается в населённой местности с относительно комфортными условиями. При поломке подковы одной из лошадей Айртон обращается к кузнецу, который ставит новую подкову с трилистником — знаком стоянки Блэк-Пойнт. Вскоре путешественники становятся свидетелями последствий преступления на Кемденском мосту, где обрушились все вагоны, кроме последнего, который был ограблен. Полиция подозревает в этом банды беглых каторжников во главе с Беном Джойсом.
Айртон заводит отряд в лес, где они вынуждены ждать, пока разлившаяся река снизит уровень воды и позволит перейти её вброд. За время стоянки из-за неизвестной болезни гибнут все быки и лошади, кроме той, что была подкована трилистником. Майор Мак-Наббс под видом разведчика обнаруживает, что Айртон — это Бен Джойс, предводитель банды, который следит за отрядом, ориентируясь на след лошади с подковой. До поры до времени он не сообщает об этом спутникам. Айртон убеждает Гленарвана приказать «Дункану» отправиться с Мельбурна на восточное побережье, чтобы избежать захвата яхты бандитами. Однако майор раскрывает предателя, и Айртону приходится бежать, ранив при этом лорда в руку. Путешественники отправляют гонца с письмом Паганеля в Мельбурн, но тот ранен и письмо похищено. Джойс с бандой захватывает «Дункан», убивает команду и уплывает в неизвестном направлении. Отряд решает прекратить поиски, так как лишился судна, и намеревается вернуться в Европу. Поскольку рейсы в Европу могут быть долгими, они решают добраться до Окленда в Новой Зеландии.
Путешествие на небольшом судне с нерасторопным капитаном и матросами заканчивается кораблекрушением, но Гленарван с друзьями достигает берегов Новой Зеландии. Там их захватывают туземцы-людоеды, намеревавшиеся убить, но благодаря находчивости Роберта путешественникам удаётся сбежать. Через несколько дней они достигают восточного побережья и видят пирогу, за которой следуют лодки с туземцами. В отчаянии путники готовы умереть, но внезапно появляется «Дункан» с командой, которая помогает им уйти от преследования. Оказывается, что ошибка Паганеля, написавшего в приказе «Новая Зеландия» вместо «Австралия», сорвала планы Айртона. Он пытается устроить бунт, но его запирают, и он вынужден плыть вместе с теми, кого хотел обмануть.
Гленарван настойчиво убеждает Айртона раскрыть правду о гибели «Британии». Под влиянием упорства леди Гленарван Айртон соглашается рассказать, но просит высадить его на необитаемом острове в Тихом океане в обмен на информацию. Выясняется, что он покинул «Британию» до крушения, будучи высаженным за попытку мятежа. Его рассказ не помогает уточнить местонахождение капитана Гранта. Лорд Гленарван выполняет обещание и оставляет Айртона на острове Табор, расположенном на 37-й параллели. На этом острове, к удивлению всех, находятся капитан Грант и двое его матросов, которые нашли здесь убежище. Вместо них остаётся Айртон, получив возможность искупить свои ошибки. Лорд Гленарван обещает вернуться за ним.
«Дункан» успешно возвращается в Шотландию. Мэри Грант вскоре обручается с Джоном Манглсом, с которым у неё возникли взаимные чувства в ходе путешествия. Паганель женится на двоюродной сестре майора Мак-Наббса. Роберт, как и его отец, становится моряком.
