1866年，在海的不同地方，有船只發現了壹個閃閃發光的怪物，長達數百米，偶爾浮出水面。在多艘船只遭到這種怪物攻擊並沈沒後，美國政府派出護衛艦“林肯”號進行跟蹤追捕。法國生物學家、巴黎自然歷史博物館教授阿龍納斯應邀出席。他曾經寫過這個海洋怪物，認為它是壹只巨大的獨角鯨。
“林肯”號在海裏遊了三個星期，但壹無所獲。壹天晚上，教授正在甲板上欣賞夜景，突然發現漆黑的水面突然閃起了紅光，然後出現了壹個怪物。教授跑回船艙向船長報告，護衛艦立即向怪物駛去。靠近時，加拿大捕鯨人內德·蘭伯特(Ned Lambert)扔出壹把鋒利的鯨叉，只聽“鐺”的壹聲，好像打在鋼板上，沒有任何效果。護衛艦開火了，但是炸彈都被怪物的尾巴彈出來了，濺起壹片水花。怪物似乎被激怒了，從他的頭上噴出兩股水，向護衛艦的右舷猛擲。隨著壹聲巨響，教授、他的仆人康塞爾和鯨魚魚叉手被拋入水中。教授很快就失去了知覺。
當教授醒來時，他發現自己躺在壹間鐵屋子裏，坐在康塞爾和尼德·蘭旁邊。他很困惑。兩個陌生人進來和他們打招呼，但是教授試了幾種語言，他們都聽不懂。當他們遇到麻煩時，他們的主人出現了。他身材高大，眼睛明亮，用法語做了自我介紹。他的名字叫尼莫，他聲稱已經放棄了所有的人類。他說，雖然他們成了他的囚犯，但他們仍然享有自由。只是為了保密，他不會釋放他們，他要求他們為所欲為。
雖然教授對失去自由感到難過，但他仍然被神秘的潛艇和海底的神秘所吸引。在尼莫的邀請下，他們三人參觀了由他設計建造的鸚鵡螺號。雖然它的部件是拼湊的，但船體堅固，結構合理，能承受海水的沖擊和高壓。船上有漂亮的客廳、舒適的睡眠艙、圖書閱覽室和賭場。潛艇的電力和氧氣都是從海水中提取的，可以在海底停留很長時間。食物也取自海洋，有些美味的魚是教授從未嘗過的。布料是由海洋纖維織成的，煙葉來自海藻。尼莫還向他們展示了用於捕獵海洋動物的槍支和在海底行走的裝備。
“鸚鵡螺號”潛入太平洋。透過玻璃窗，教授壹路看著奇形怪狀的水下場景和五顏六色的深海生物。經過克裏斯波島時，尼莫派人送來壹張紙條，邀請他們三人去海底森林打獵。於是他們穿上潛水服，背上氧氣瓶，背上特制的獵槍。他們穿過壓載艙，走在海底平原上。尼莫用他的槍打死了壹只大海獺，然後殺了兩只海豚，帶著壹只全負荷回來了。
當潛艇到達加裏曼丹附近時，食物短缺。教授，他們三個決定上岸去尋找蔬菜和野味。起初，他們很幸運。他們打死了幾只野豬，摘了許多水果。正當他們在沙灘上架起篝火準備燒烤時，突然遭到了土著人的襲擊。他們急忙逃進小船，駛向停泊在海裏的潛艇。然而，土著人登上了木筏，急於放棄。即使教他們爬上潛艇，下了海底，原住民還是圍著潛艇不肯散去。第二天壹早，當潛艇開放空氣時，土著人確實爬上了潛艇。但他們的手壹碰到欄桿，就驚慌地縮了回去。原來所有的金屬欄桿都通電了。
潛艇駛入了印度洋。在斯裏蘭卡附近，尼莫邀請教授參觀海底的珍珠礦區。這裏盛產珍珠，最高價值200萬美元。教授饒有興趣地看著印第安人在海底采集珍珠。突然，壹條大鯊魚張開血盆大口攻擊印第安人。尼莫立即拿起手中的短刀，上前與鯊魚搏鬥。尼德·蘭舉起叉子想幫忙，叉子正中鯊魚的心臟。尼莫立刻把采珠人從水裏提了出來，從口袋裏拿出壹些珍珠給他。教授從心底裏佩服尼莫舍己救人的精神，也因此知道尼莫其實並沒有切斷與人類的聯系。
鸚鵡螺號從紅海進入地中海用了不到20分鐘。它偷偷穿過了尼莫發現的海底通道，在蘇伊士運河之前。
壹路上，教授發現了許多令人驚奇的事情。當船到達康迪島時，尼摩從櫃子裏拿出許多黃金，派人用船把它們運出去。後來，當潛艇駛進大西洋，停泊在維多利亞灣海底時，尼莫派他的船員下潛，從海底的沈船上打撈起裝滿金銀的箱子。原來，尼莫用沈船上的財寶幫助窮人，從事科學探索。在大西洋海底，尼莫陪著教授參觀了久違的大陸——大西洲。他們觀看了海底火山口噴出硫磺火漿的壯觀景象，還參觀了破落的龐貝古城。
潛艇再次向南極進發，它在成群結隊的鯨魚中間穿過。當尖頭鯨攻擊長須鯨時，出於對弱者的同情，尼莫指揮船員攻擊尖頭鯨。在此後的航行中，他們經歷了許多艱難險阻。壹會兒冰山擋住道路，壹會兒章魚圍攻它，壹會兒敵艦襲擊它。尼莫以驚人的毅力和智慧，指揮著船員，戰勝了壹切。
經過兩萬裏的環球航行，潛艇在挪威西海岸遇到了可怕的漩渦。教授無法知道潛艇卷入漩渦後發生了什麽，因為他和同伴被漩渦拋入水中，在挪威的壹個小島上僥幸逃生，而潛艇已經消失。
這部作品講述了法國博物學家阿龍納斯教授在海洋深處旅行的故事。這個故事發生在1866年。當時在海上發現了壹只被判定為獨角鯨的大怪物。他接受邀請加入追逐，在追逐過程中不幸落水，騎在怪物背上遊泳。其實這個怪物並不是獨角鯨，而是壹艘結構奇妙的潛艇。從此，潛艇帶著他繞了兩萬裏...
這艘潛艇是尼摩船長在大洋中央的壹個荒島上秘密建造的。它有壹個堅固的船體，並利用海洋發電。尼摩船長邀請阿龍納斯去海底旅行。主人公總是被壹個謎所迷惑，他總是在思考這個謎，試圖解開它:尼摩船長是誰？為什麽這位才華橫溢的工程師和學識淵博的學者如此仇視人類社會？他漫遊海底的目的是什麽？旅程什麽時候結束？阿羅娜·科克斯、貢·和的多次逃跑企圖似乎都在不經意間受挫。他們能回到地球獲得自由嗎？這次海底之旅是如何結束的？舊的謎團壹解開，新的難題就擺在他們面前。他們從太平洋出發，經過珊瑚島、印度洋、紅海和地中海，進入大西洋，看到了許多罕見的海洋動植物和水中奇異的景象，經歷了擱淺、被土著人圍攻、與鯊魚搏鬥、冰山封路、章魚襲擊等諸多危險。最後，當潛艇抵達挪威海岸時，阿龍納斯不辭而別，向全世界公布了他所知道的海底秘密。
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