Veinte mil leguas de viaje submarino es una obra narrada en primera persona por el profesor francés Pierre Aronnax, un notable biólogo, quien cae prisionero del Capitán Nemo y es conducido por los océanos a bordo del submarino Nautilus, en compañía de su criado Consejo y el arponero canadiense Ned Land.

La historia comienza con una expedición a bordo del buque de la marina de guerra estadounidense, el Abraham Lincoln al mando del almirante Farragut que busca dar caza a un extraño cetáceo de un tamaño extraordinario, el cual produjo la desaparición misteriosa de diversas embarcaciones. Sin embargo, durante la expedicion,los protagonistas se ven lanzados por la borda del buque producto de una embestida del animal.El profesor Aronnax y su acompañante Consejo son rescatados por el arponero canadiense Ned Land logrando llegar a nado a un lugar seguro. Una vez que estuvieron a salvo, descubren que no se encuentran realmente en una isla, sino sobre una estructura metálica, un submarino que está sobre la superficie del mar, en la cual logran acceder a su interior cuando son llevados al mismo por ocho enmascarados a través de una compuerta.

En el interior del misterioso artefacto conocen al Capitán Nemo, personaje desgraciado y brillante, con un oscuro pasado y de grandes aptitudes científicas y artisticas. Este les muestra toda la nave, cuyo nombre es el Nautilus, dandoles notorias explicaciones sobre la ingenieria de la misma. El capitan les informa que al descubrir su secreto, no puede dejarlos volver a la superficie. A lo largo del viaje les son revelados muchos secretos y recorren diversos lugares, entre los que se menciona la mítica Atlántida, las islas de polinesia, el mar rojo, las costas del lejano oriente, el mediterraneo, etc. A través de su personaje Aronnax, Jules Verne da testimonio de varios posibles inventos (escafandras autónomas para buceo, fusiles con balas eléctricas, máquinas para producir aire respirable etc.). Un elemento que hace muy interesante a la novela es la minuciosa descripción de los paisajes submarinos que se visitan, asi como la casi enciclopedica descripcion de una infinidad de seres marinos.