Le professeur Arronax, spécialiste de la faune sous-marine. et son fidèle assistant Conseil s'embarquent à bord du "Lincoin", affrété par le gouvernement américain pour faire la chasse à un monstre inconnu qui coule les bateaux et ravage les océans du globe. Le "Lincoin" ne tarde pas à être attaqué et coulé par le monstre.
Arronax, Conseil et Ned Land le harponneur sont recueillis sur un étrange submersible, le "Nautilus", commandé par l'énigmatique capitaine Nemo. Nemo a eu l'idée de construire un sous-marin gigantesque et de lui donner les apparences d'un monstre marin pour terroriser les équipages des bateaux qui sillonnent le globe. Nemo misanthrope, rêve de bâtir un monde nouveau qui ne serait pas continuellement victime de la bêtise et de la cupidité des hommes.
Arronax et Conseil semblent bien prêts d'être conquis par l'étrange personnalité de leur hôte : mais Ned Land ne pense qu'à s'évader de la prison flottante. Il jette à la mer des bouteilles dans lesquelles sont inscrites les coordonnées de l'île secrète de Nemo, Vulcania.
Des navires de guerre attaquent le "Nautilus". Pour s'échapper Nemo plonge dans un abîme et son équipage doit affronter l'attaque d'une pieuvre géante. Ned Land sauve la vie de Nemo prisonnier de la pieuvre.
Mais des navires avertis par les messages du harponneur ont investi l'île de Vulcania. Tandis que Arronax, Conseil et Ned Land parviennent à s'échapper Nemo détruit son île et le "Nautilus", enfouissant à jamais dans les profondeurs de l'océan les secrets de ses inventions fantastiques.
L'une des premières réalisations de fiction jouée par des acteurs, produite par les studios Walt Disney, spécialisés depuis 1928 dans la confection de dessins animés.
Le budget du film fut colossal : plus de 5 millions de dollars. Donner à voir le fameux "Nautilus" imaginé en 1870 par Jules Verne nécessita la construction grandeur nature d'un décor sous-marin de 60 mètres de long sur six mètres de large conçu par le décorateur John Meehan. C'est le spécialiste des effets spéciaux des studios Disney, Ub Iwerks, qui dirigea l'animation de la pieuvre géante constituée entièrement de caoutchouc monté sur des armatures d'acier à ressorts.
Les extérieurs du film furent tournés à la Jamaïque et les séquences sous-marines au large des Bahamas, où l'eau est particulièrement claire. En 1907, Georges Méliès avait adapté à sa manière le roman de Jules Verne, le transformant en 20 000 Lieues sous les mers ou le cauchemar d'un pêcheur avec... le corps de ballet du Châtelet dans le rôle des naïades!