בשלושה עשר באפריל 1867 נתקלה אונייה קנדית ביצור מסתורי גדול ממדים וכמעט ירדה למצולות. "מפלצת במימי האוקיינוס!" זעקו כותרות העיתונים, והציבור כולו תבע למגר את המפלצת הנוראה. אוניית מלחמה אמריקנית נשלחת לצוד ולמגר את המפלצת, כשעל סיפונה פרופסור פייר ארונה, מדען צרפתי מפורסם, קונסיי - משרתו האמיץ - ונד לנאד, תייד לווייתנים נועז. במהלך ניסיון לצוד את המפלצת נסחפים השלושה המימה ומוצאים עצמם על סיפונו של כלי שיט מסוג בלתי מוכר - הנאוטילוס - צוללת משוכללת להפליא, המופעלת בכוח החשמל. הם מתוודעים לקפטן נמו, מפקד הצוללת, גאון מסתורי שניתק את יחסיו עם האנושות, ומתלווים אליו במסעו מתחת למים. עשרים אלף מיל עוברת הצוללת במסעה, ובמהלכם מזדמנות לשלושה הרפתקאות מופלאות ומסמרות שיער: הם יוצאים למסעות ציד ביערות תת - מימיים, נמלטים בנס מאוכלי אדם פראיים, מבקרים בעיר האבודה "אטלנטיס", עוברים בתעלה מסתורית המחברת את ים סוף עם הים התיכון, נאבקים בתמנוני ענק רצחניים, מגלים את הקוטב הדרומי וכמעט נלכדים תחת קרחוני הקוטב.