本书主要讲述“鹦鹉螺号”（或音译为“诺第留斯号”）的故事。1866年，当时海上发现了一只被断定为独角鲸的大怪物，阿龙纳斯受邀参加追捕，在追捕过程中不幸落水，泅到怪物的脊背上。其实这怪物并非什么独角鲸，而是一艘构造奇妙的潜水艇。潜水艇是船长尼摩在大洋中的一座荒岛上秘密建造的，船身坚固，利用海洋中大量的氯化钠分解出来的钠发电。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、进入地中海、大西洋，看到许多罕见的海生动植物和水中的奇异景象，又经历了搁浅、土人围攻、同鲨鱼搏斗、冰山封路、章鱼袭击等许多险情。最后，当潜水艇到达挪威海岸时，阿龙纳斯不辞而别，回到了他的家乡。在《海底两万里》中，尼摩船长是个不明国籍的神秘人物（后来在《神秘岛》中介绍他是印度的达卡王子），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，能够利用海洋资源来提供能源。他们依靠海洋中的各种动植物来生活。潜艇艇长对战俘倒也优待；只是为了保守自己的秘密，潜艇艇长尼摩不允许他们离开。阿龙纳斯一行人别无选择，只能跟着潜水艇周游各大洋。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，例如：在巴布亚新几内亚他们的船搁浅了，遇到当地土着人的攻击，尼摩船长用他连接在金属梯子上的电挡住土着人进入鹦鹉螺号；在印度洋的珠场和鲨鱼展开过搏斗，捕鲸手尼德·兰手刃了一条凶恶的巨鲨；在南极他们被困在厚厚的冰下，船上极度缺氧，但船上所有人轮流用工具和开水把底部厚10米的冰层砸薄，用潜艇的重量压碎冰块，脱离困境；在大西洋鹦鹉螺号被章鱼所困扰，他们拿斧头和章鱼展开肉搏战，一名船员不幸惨死；在北大西洋鹦鹉螺号遇到一艘英国驱逐舰（这艘驱逐舰的国籍在原文中并未说明，在《神秘岛》中才说明是英国的）的炮轰，除那三位俘虏外所有船员个个义愤填膺，用鹦鹉螺号的冲角把驱逐舰击沉。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。
小说不但能激发人们对科学的兴趣，而且赞扬了像尼摩船长等反抗压迫的战士的形象，体现了他们具有社会正义感和崇高的人道主义精神。