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

La historia comienza con una expedición a bordo del buque de la marina de guerra estadounidense Abraham Lincoln al mando del almirante Farragut que busca dar captura a un extraño cetáceo de un tamaño extraordinario, el cual produjo la desaparición misteriosa de diversas embarcaciones. Sin embargo, el buque naufraga al ser alcanzado por una tempestad y el profesor Aronnax y su acompañante Consejo son rescatados por el harponero canadiense Ned Land logrando llegar a nado a un lugar seguro. Una vez estuvieron a salvo, descubren que no se encuentran realmente en una isla, sino sobre una estructura metálica que está sobre la superficie del mar, en la cual logran acceder a su interior cuando son llevados al mismo por ocho enmascarados atraves de una compuerta.

En el interior del misterioso artefacto conocen al Capitán Nemo, quien les muestra toda la nave, en donde son muy bien tratados y les informa que quienes ingresan al Nautilus, no vuelven a salir nunca, por lo que les son revelados muchos secretos y recorren diversos lugares, entre los que se menciona la mítica Atlántida. 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.), otro elemento que hace interesante a la novela es la descripción de los paisajes que se van recorriendo en un gigantesco periplo, algunos de estos paisajes son bastante fidedignos ya que Verne solía basarse en las crónicas y diarios de viajeros reales, como es el caso del recién fotografiado Mar de ardora, otros son especulaciones en donde deja libre su imaginación (por ejemplo la llegada al Polo Sur).

Después de mucho tiempo de aventura, perseguido y prácticamente cercado el Nautilus los tres tripulantes prisioneros escuchan al capitán Nemo tocar en un piano música «al modo escocés» (pulsando sólo las teclas negras) y a los tripulantes repetir la palabra Maelstrom ante esto deciden huir y son rescatados por unos pescadores.

En esta novela el capitán Nemo y sus seguidores parecen suicidarse en el gigantesco torbellino del Maelstrom aunque el final queda abierto.