十九世紀，海洋生物學家皮埃爾·阿龍納斯受法國政府委任調查海上船只離奇沉沒事件，其女助手康塞爾與捕鯨手尼德·蘭隨行。三人追蹤至太平洋時，意外被巨型"海怪"撞擊落水，發現所謂怪物實為名為鸚鵡螺號的先進潛艇。船長尼莫以武力扣留三人，開始環海航行之旅。期間他們穿越珊瑚森林、探訪海底遺址、見證巨型章魚襲擊，逐漸知曉尼莫以潛艇為武器反抗壓迫的復仇計劃。當鸚鵡螺號在北大西洋遭遇敵艦圍剿時，三人趁亂逃離潛艇。最終阿龍納斯完成航海日記并公之于世，而尼莫與鸚鵡螺號則消失在風暴之中。