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。
创作小说之初,凡尔纳和出版商赫泽尔之间就书中的主人公鹦鹉螺号船长尼摩的特征展开了一场争论。赫泽尔认为该把尼摩描写成为奴隶贩卖交易的死敌,为他对某些海上船只的无情攻击提供清晰而理想的辩护。但凡尔纳却希望尼摩是位波兰人,他永不宽恕地把仇恨直指向俄国沙皇。不过赫泽尔担心他引起外交上的分歧,使该书在有利可图的俄国市场上遭禁。
最后,作者和出版商逐渐相互妥协了,他们认为尼摩的真正动机应当弄得模棱两可才有吸引力,尼摩应当被大致定位为自由的拥护者和反压迫的复仇者。在《神秘岛》中,这才公布他是印度达卡王子。
《海底两万里》描绘的是人们在大海里的种种惊险奇遇。美妙壮观的海底世界充满了异国情调和浓厚的浪漫主义色彩,体现了人类自古以来渴望上天入地、自由翱翔的梦想。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。