В марте 1865 года во время гражданской войны в США пятеро приверженцев Севера покидают захваченный южанами Ричмонд на воздушном шаре. Во время сильного шторма четверо из них оказываются на необитаемом острове в Южном полушарии, тогда как пятый и его собака оказываются в море недалеко от берега. Этот пятый — Сайрес Смит, талантливый инженер и учёный, который становится лидером группы. Его отсутствие и исчезновение собаки Топа вызывают тревогу у спутников, особенно у бывшего раба и верного слуги Смита Наба. В составе группы находятся также военный журналист Гедеон Спилет, моряк Пенкроф и подросток Харберт Браун, который воспитывается Пенкрофом как сын. После нескольких дней поисков Наб находит Смита, и все вместе они начинают обустраивать жизнь на острове, используя свои разнообразные навыки. Сначала применяя простейшие инструменты, затем создавая более сложные орудия и сооружения, поселенцы занимаются охотой, собирательством, разведением домашних животных и земледелием. Они устраивают жильё в пещере, расположенной высоко в скале, и благодаря совместным усилиям достигают полного самообеспечения, за исключением сведений о родине, судьба которой вызывает у них беспокойство.
Однажды, возвращаясь в своё жилище, они обнаруживают там обезьян, которые вскоре покидают дом, оставив им верёвочную лестницу. Внутри они находят орангутанга, которого называют дядюшкой Юпом, и который становится верным помощником и другом колонистов. Позже на берегу они обнаруживают ящик с инструментами, оружием, одеждой и книгами, а также карту, на которой рядом с их островом обозначен неучтённый остров Табор. Пенкроф возлагает надежды на путешествие туда и строит для этого бот. Во время пробного плавания они находят бутылку с запиской, в которой человек, потерпевший крушение, просит о помощи на острове Табор. Пенкроф, Спилет и Харберт отправляются на этот остров, где находят заброшенную хижину и вскоре сталкиваются с дикарём, одичавшим человеком, которого связывают и перевозят на свой остров. Этот человек, Айртон, оказывается бывшим преступником, ранее наказанным высадкой на необитаемый остров с целью осознания своих ошибок. Он искренне раскаивается, и поселенцы принимают его в свою группу, предоставляя отдельное жилище.
Во время возвращения с Табора на боте поселенцы замечают костёр, который, по их предположению, разожгли они сами, но вскоре выясняется, что это не так. Также обнаруживается, что Айртон не мог быть автором записки в бутылке. Всё это наводит колонистов на мысль о существовании на острове ещё одного таинственного благодетеля, который регулярно помогает им в трудных ситуациях. Они предпринимают поиски, но не находят его. Спустя несколько месяцев поселенцы вновь отправляются на Табор, чтобы оставить там записку для капитана Гленарвана с предупреждением о том, что Айртон и другие нуждаются в помощи.
Жизнь на острове продолжается, и спустя три года хозяйство колонии процветает: выращивают пшеницу, разводят скот и птицу, построили мельницу, изготовили одежду и обустроили жилище. Однако спокойствие нарушается появлением пиратского судна с чёрным флагом. Айртон тайно проникает на корабль и узнаёт о пятидесяти разбойниках на борту. После неудачной попытки нападения на поселенцев пираты скрываются в лесу, а корабль продолжает обстреливать берег. Внезапно судно подрывается на мине и тонет, все пираты гибнут. Это событие укрепляет уверенность колонистов в том, что на острове существует некое незримое покровительство.
Поначалу поселенцы не стремятся к уничтожению пиратов, надеясь на их мирное поведение, однако разбойники начинают грабить и уничтожать хозяйство. Айртон попадает в плен, где подвергается пыткам с целью склонить его к измене, но не сдаётся. Его друзья совершают попытку спасения, в ходе которой Харберт получает серьёзное ранение. После возвращения в Гранитный дворец у Харберта развивается опасная лихорадка, и в самый критический момент поселенцы получают таинственную помощь в виде жизненно необходимого лекарства. Вскоре они обнаруживают Айртона в корале, рядом с телами убитых пиратов. Он не может объяснить, кто уничтожил разбойников и освободил его. Пираты, оставшиеся в живых, предпринимают новую попытку нападения, но терпят неудачу, и последующие семь месяцев таинственный помощник не проявляет себя.
Тем временем на острове просыпается вулкан, который считался потухшим. Поселенцы строят новый корабль для возможной эвакуации. Однажды ночью срабатывает телеграф, и они находят записку, ведущую их к огромному гроту, где обнаруживают подводную лодку и её владельца — капитана Немо, индийского принца Даккара, всю жизнь борющегося за свободу своей страны. Он, уже тяжело больной, передаёт поселенцам ларец с драгоценностями и предупреждает об опасности извержения вулкана, которое вскоре приводит к взрыву острова и уничтожению всего живого. Колонисты, находившиеся на берегу, спасаются, оказавшись выброшенными в море и впоследствии подобранными кораблём «Дункан». Как выясняется, капитан Немо передал записку спасателям на острове Табор.
Вернувшись в Америку, поселенцы используют драгоценности для приобретения большой земли, на которой продолжают вести хозяйство в духе прежней жизни на острове.
