此书主要讲述鹦鹉螺号潜艇的故事。1866年，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，他们与鱼叉手尼德·兰不幸落水，到了怪物的脊背上。他们发现这怪物并非是什么独角鲸，而是一艘构造奇妙的潜艇。潜艇是尼摩在大洋中的一座荒岛上秘密建造的，船身坚固，利用海水发电。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、地中海、大西洋，看到海中许多罕见的动植物和奇异景象。途中还经历了搁浅、土著围攻、同鲨鱼搏斗、冰山封路、章鱼袭击等许多险情。最后，当潜艇到达挪威海岸时，三人不辞而别，回到了他的家乡。
在《海底两万里》中，尼摩是个不明国籍的神秘人物（后在《神秘岛》中交代其为印度人），他在荒岛上秘密建造的这艘潜艇不仅异常坚固，而且结构巧妙，能够利用海洋来提供能源，他们依靠海洋中的各种动植物来生活。潜艇船长对俘虏也很优待，但为了保守自己的秘密，尼摩船长从此之后不允许他们离开。阿龙纳斯一行人别无选择，只能跟着潜艇周游各大洋。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。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。最后，鹦鹉螺号在北大西洋里遇到一艘驱逐舰的炮轰，潜艇上除了三位俘虏外个个义愤填膺，用鹦鹉螺号的冲角把驱逐舰击沉。不久，他们在潜艇陷入大漩涡的极其险恶的情况下逃出了潜艇，被渔民救上岸。回国后，博物学家才将旅行中所知道的海底秘密公之于世。

第一部分
一 飞逝的礁石
二 赞成和反对
三 听先生的吩咐
四 内德·兰德
五 瞎闯！
六 全速前进
七 一条种类闻所未闻的鲸鱼
八 动中之动
九 内德·兰德怒气冲天
十 驰骋海上的人
十一“鹦鹉螺”号
十二 一切都用电
十三 几组数据
十四 黑河
十五 邀请信
十六 海底平原漫步
十七 海底森林
十八 太平洋水下四千海里
十九 瓦尼可罗岛
二十 托雷斯海峡
二十一 陆地上的几天
二十二 奈莫艇长的雷击
二十三 AEGRI SOMNIA
二十四 珊瑚王国

第二部分
一 印度洋
二 奈莫艇长的新建议
三 一颗一千万的珍珠
四 红海
五 阿拉伯隧道
六 希腊群岛
七 四十八小时穿越地中海
八 维戈海湾
九 消失的大陆
十 海底煤矿
十一 海尾藻海
十二 抹香鲸和长须鲸
十三 大浮冰
十四 南极
十五 大事故还是小事故？
十六 缺氧
十七 从合恩角到亚马孙河
十八 章鱼
十九 墨西哥湾暖流
二十 北纬四十七度二十四分，西经十七度二十八分
二十一 大屠杀
二十二 奈莫艇长的最后一句话
二十三 尾声