此书主要讲述“*号”的故事。1866年，当时海上发现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，在追捕过程中不幸落水，到了怪物的脊背上。发现这怪物并非是什么独角鲸，而是一艘构造奇妙的潜水艇。潜水艇是船长尼摩在大洋中的一座荒岛上秘密建造的，船身坚固，利用海洋中大量的氯化钠分解出来的钠发电。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、进入地中海、大西洋，看到许多罕见的海生动植物和水中的奇异景象，又经历了搁浅、土人围攻、同鲨鱼搏斗、冰山封路、章鱼袭击等许多险情。最后，当潜水艇到达挪威海岸时，阿龙纳斯不辞而别，回到了他的家乡。

在旅途中，阿龙纳斯一行人遇到了无数美景，同时也经历了许多惊险奇遇，如在巴布亚新几内亚他们的船搁浅了，遇到当地土著人的攻击，尼摩船长用他连接在金属梯子上的电挡住土著人进入*号；在印度洋的珠场和鲨鱼展开过搏斗，捕鲸手尼德·兰手刃了一条凶恶的巨鲨；在南极他们被困在厚厚的冰下，船上极度缺氧，但船上所有人轮流用工具和开水把底部厚10米的冰层砸薄，用潜艇的重量压碎冰块，脱离困境；在大西洋*号被章鱼所困扰，他们拿斧头和章鱼展开肉搏战，一名船员不幸惨死；在北大西洋*号遇到一艘英国驱逐舰（这艘驱逐舰的国籍在原文中并未说明，在《神秘岛》中才说明是英国）的炮轰，除那三位俘虏外所有船员个个义愤填膺，用*号的冲角把驱逐舰击沉。他们眼中的海底，时而景色优美、令人陶醉，时而险象丛生、千钧一发。通过一系列奇怪的事情，阿龙纳斯终于了解到神秘的尼摩船长仍与大陆保持联系，用海底沉船里的千百万金银来支援陆地上人们的正义斗争。