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

La historia comienza con una expedición a bordo de un buque de la marina de guerra estadounidense: el Abraham Lincoln, al mando del comandante Farragut, que busca dar caza a un extraño cetáceo, con un largo y filoso cuerno en el hocico, se supone que algún tipo de narval, que había ocasionado daños a diversas embarcaciones.
Durante la expedición, los protagonistas se ven lanzados por la borda del buque como resultado de una embestida del animal.
El profesor Aronnax y su acompañante Conseil son rescatados por el arponero canadiense Ned Land que también cayó al agua con ellos, después del impacto de la criatura, y los tres logran llegar a nado a un lugar seguro.
Una vez a salvo, descubren que no se encuentran realmente en una isla, sino sobre una estructura metálica: un submarino a flote a cuyo interior acceden por una compuerta, llevados por ocho enmascarados.

En el interior del misterioso artefacto conocen al Capitán Nemo, personaje desgraciado y brillante, con un oscuro pasado y de grandes aptitudes científicas y artísticas.
Este les muestra toda la nave, el Nautilus, y les da notables explicaciones sobre su ingeniería.
El capitán les informa de que, al haber conocido su existencia, no puede dejarlos volver a la superficie.