Akcja zaczyna się od pościgu za tajemniczym stworem zatapiającym brytyjskie okręty, uznawanym za wielkiego wieloryba. Profesor Aronnax oraz Conseil i Land biorą udział w nim na pokładzie amerykańskiej fregaty. Winowajcą zatonięć statków okazuje się być nie wieloryb, a okręt podwodny o nazwie Nautilus. Uszkadza on fregatę, a Aronnax z towarzyszami wpadają do wody i dostają się na jego pokład. Na jego pokładzie odbywają podróż zaczynającą się od wybrzeży Japonii, przez Hawaje, Cieśninę Torresa, Ocean Indyjski, aż do Morza Czerwonego. Przepływają stąd podwodnym tunelem do Morza Śródziemnego, gdzie Nemo dostarcza pieniędzy anty-osmańskim powstańcom. Następnie trasa wiedzie na Atlantyk, później na biegun południowy i z powrotem na Atlantyk. Na północnym Atlantyku Aronnax z towarzyszami uciekają z Nautilusa.
O sympatiach politycznych Verne’a świadczy fakt, iż w kajucie kapitana znajdowały się portrety takich postaci jak: George Washington, Abraham Lincoln i Tadeusz KościuszkoJuliusz Verne, 20 000 mil podmorskiej żeglugi, Wydawnictwo Zielona Sowa, Kraków 2010, tom II, strona 111, . Mimo że autor starał się w powieści przedstawiać technologie zgodne z ówczesnym stanem wiedzy, to niektóre z pomysłów są z nią sprzeczne.