海洋生物学家阿龙纳斯教授与加拿大捕鲸人尼德·兰、忠仆康塞尔一同追踪某个撞击轮船的神秘海怪，三人被“海怪”鹦鹉螺号俘虏，见到鹦鹉螺号的船长尼摩，尼莫带教授参观了潜艇内舱，教授折服于这位尼摩船长的学识、藏书、科技水平、能源、财富、甚至是逃离一切政权的自由翱翔……尼莫船长尊重教授，尽力为他提供海洋生物研究的便利，欣慰于能与教授交流。唯一不能的，是放他们回大陆，带着鹦鹉螺号的秘密回到人类社会中去。
三人随着鹦鹉螺号在海底旅行，经历过红海珊瑚的浪漫、触目于海战遗骸、午后在海底平原自由漫步在南极洲遇冰盖被困、历险于地壳运动中、跨过大西洋电报线、以及目睹过消失的亚特兰蒂斯。历过的险，海底捕过的猎，为同行水手共同举办过的海底葬礼以及三人屡次失败的逃跑计划一起加深着彼此复杂的人类感情。末了，鹦鹉螺号遭到某国战舰攻击。尼摩船长的复仇被激活，他誓死不再回到陆地的动机才慢慢显露。
三人最终逃离了鹦鹉螺号，目睹着它被卷入大风暴漩涡。他们共在鹦鹉螺号上生活了十个月，漫无目的地航行了两万里，阅览了船长尼莫如他的藏书一般，层层叠叠地复杂内心，或许临别时、或许这十个月之中，教授的内心始终萦绕着逃离和留下两种心声。
