Merien tuntija professori Pierre Aronnax pyydetään mukaan, kun Abraham Lincoln -niminen laiva lähtee etsimään meriä kauhun vallassa pitävää hirviötä, jota epäillään sarvivalaaksi. Matkalla ovat mukana myös professorin palvelija, Conseil (Neuvokas) ja valaanpyytäjä Ned Land.
Kun hirviö saadaan kiinni, se kääntyy ahdistajaansa vastaan ja taistelun aikana professori, Ned ja Conseil putoavat laivasta. He pelastautuvat metsästämänsä hirviön päälle, joka osoittautuu sukellusveneeksi, ja heidät vangitaan sen matkustajiksi. Sukellusveneen, Nautiluksen kapteeni Nemo vie vieraansa huimalle matkalle merten syvyyksiin, etelänavalle sekä kävelylle Atlantiksen kadonneella mantereella.