En 1866, des rapports étranges ont commencé à arriver en Europe et aux États-Unis, relatant des rencontres avec une créature marine indestructible mais qui ressemble à une baleine. Les autorités américaines ont équipé un navire pour chasser la créature, et le Dr. Pierre Aronnax, un expert en vie sous-marine, a été invité à se joindre à la mission. Après des mois de poursuite, l'équipage de la frégate a finalement repéré la créature, qui s'est avérée être un sous-marin artificiel appartenant au capitaine Nemo. Le Dr. Aronnax, son assistant Conseil et un harponneur canadien nommé Ned Land se sont retrouvés captifs à bord du sous-marin pour une aventure de 10 mois qui a couvert une distance de 20 000 lieues. Au cours de leur voyage, ils ont visité de nombreuses merveilles du monde naturel, mais ont finalement risqué leur vie pour leur liberté. Le Dr. Aronnax a tenté de découvrir des indices sur le passé torturé du capitaine Nemo, mais a été contrecarré jusqu'à la fin de leur voyage.