Akcja rozgrywa się w XIX wieku, w końcu lat sześćdziesiątych.
Wśród marynarzy szerzy się wieść o pojawianiu się wśród wód oceanów niezwykłego wieloryba, który dziwił ich nie tylko swoimi rozmiarami, ale także szybkością i nieuchwytnością.
Pochodzący z Francji przyrodnik Pierre Aronnax (Paul Lukas) wyrusza na amerykańskiej fregacie rozwiązać tą niezwykłą zagadkę. W wyprawie towarzyszy mu jego służący Conseil (Peter Lorre). Podczas tej niezwykłej przygody poznają porywczego, lecz doskonałego w swoim fachu harpunnika o imieniu Ned Land (Kirk Douglas).
Profesor Aronnax wraz z towarzyszami wkrótce odkrywa tajemnicę i spotyka tajemniczego człowieka - kapitana Nemo (James Mason).