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 almirante Farragut, que busca dar caza a un extraño cetáceo, con un largo y filoso cuerno en el hocico (luego se demuestra que el animal es un narval), que había ocasionado la desaparición misteriosa de 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, 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. Éste 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.