Ce roman constitue le deuxième volet d'une trilogie romanesque que complètent Les Enfants du capitaine Grant (premier volet) et L'Ile mystérieuse (troisième volet). Le savant Aronnax, accompagné de Conseil, son domestique, ainsi que d'un harponneur, Ned Land, embarquent sur la frégate Abraham-Lincoln pour capturer ce qu'ils croient être un monstre marin... Or, le monstre n'est autre que le Nautilus, le sous-marin du capitaine Nemo.
Prisonniers du submersible, ils assisteront à une inhumation dans les fonds marins, découvriront l'Atlantide, lutteront contre des pieuvres géantes et comprendront que le mystérieux capitaine Nemo n'est pas le moindre des dangers qu'ils auront à affronter. " Ah ! mon cher Hetzel, si je ratais ce livre-là, je ne m'en consolerais pas. Je n'ai jamais eu un plus beau sujet entre les mains. " (Lettre à Pierre-Jules Hetzel du 28 mars 1868.)