了一只疑似为独角鲸的大怪物，阿龙纳斯教授及仆人康塞尔受邀参加追捕。在追捕过程中，他们与鱼叉手尼德·兰不幸落水，到了怪物的脊背上。他们发现这怪物并非是什么独角鲸，而是一艘构造奇妙的潜艇。潜艇是尼摩在大洋中的一座荒岛上秘密建造的，船身坚固，利用海水发电。尼摩船长邀请阿龙纳斯作海底旅行。他们从太平洋出发，经过珊瑚岛、印度洋、红海、地中海、大西洋，看到海中许多罕见的动植物和奇异景象。
途中还经历了搁浅、土著围攻、同鲨鱼搏斗、冰山封路、章鱼袭击等许多险情。最后，当潜艇到达挪威海岸时，三人不辞而别，回到了他的家乡。
波兰人民反对沙皇独裁统治的起义遭到残酷是凡尔纳创作《海底两万里》的一个导火索。他在小说中塑造了尼摩船长这个反对沙皇专制统治的高大形象，赋予其强烈的社会责任感和人道主义精神，以此来表达对现实的批判。
创作小说之初，凡尔纳和出版商赫泽尔之间就书中的主人公鹦鹉螺号船长尼摩的特征展开了一场争论。赫泽尔认为该把尼摩描写成为奴隶贩卖交易的死敌，为他对某些海上船只的无情攻击提供清晰而理想的辩护。但凡尔纳却希望尼摩是位波兰人，他永不宽恕地把仇恨直指向俄国沙皇。
不过赫泽尔担心他引起外交上的分歧，使该书在有利可图的俄国市场上遭禁。最后，作者和出版商逐渐相互妥协了，他们认为尼摩的真正动机应当弄得模棱两可才有吸引力，尼摩应当被大致定位为自由的拥护者和反压迫的复仇者。
2113→太平洋→瓦尼克罗群岛→托雷斯海峡5261→珊瑚王国→4102印度洋（锡兰岛、阿曼湾1653）→红海→苏伊士运河→地中海【希腊群岛（桑多林岛）】→维哥湾→亚特兰蒂斯→马尾藻海→南极大陆→合恩角→亚马逊河口→墨西哥湾→英吉利海峡→迈尔海峡
士运河、地中海「希腊群岛（桑多林岛）」、维哥湾、亚特兰蒂斯、马尾藻海、南极大陆、合恩角、亚马逊河口、墨西哥湾、英吉利海峡，最后到达迈尔海峡。
