Axel, el entusiasta pero precavido sobrino del ilustre profesor mineralogista Otto Lidenbrock, narra la historia del viaje al centro de la Tierra.
El 24 de mayo de 1863, Lidenbrock consulta un manuscrito rúnico del siglo XII recientemente adquirido y descubre un mensaje cifrado de Arne Saknussemm, un alquimista islandés del siglo XVI. Lidenbrock cree que Saknussemm ha realizado un importante descubrimiento científico, por lo que se empeña en descifrar su mensaje, aunque tiene problemas para hacerlo.
Axel consigue descifrar el documento: en él, Saknussemm afirma que ha llegado al centro de la Tierra descendiendo por el cráter del volcán Sneffels. Axel teme que su tío quiera emprender esa aventura, pero finalmente decide comunicarle el hallazgo. Lidenbrock comienza a planear el viaje inmediatamente y le dice a su sobrino que irá con él. Axel se muestra reticente hasta que su amada Graüben, pupila de su tío, lo anima a realizar la excursión.
Lidenbrock y Axel dejan Hamburgo y viajan a Islandia. En Reikiavik contratan a un guía llamado Hans, un cazador impasible y estoico. Los tres escalan hasta el cráter del volcán para descender por él en las profundidades de la Tierra. Cuando llegan a una encrucijada, Lidenbrock elige una ruta equivocada; este camino es un callejón sin salida y se ven obligados a dar la vuelta. Mientras tanto, el suministro de agua se agota y los hombres corren el riesgo de morir de sed. En esta parte del viaje, Axel se muestra inquieto y pesimista. Sin embargo, se asombra al ver la historia del mundo a través de los sedimentos geológicos.
Hans deja a sus compañeros para ir en busca de agua. Encuentra una fuente que fluye detrás de la roca y conduce a los demás hasta allí. Después de que Hans hace un agujero en la pared, brota un pequeño arroyo, al que nombran Hans-Bach.
En un momento del viaje, Axel se separa del resto y se encuentra solo. Decide volver en sus pasos para encontrarse con los demás, pero también ha extraviado el curso del Hans-Bach, por lo que se halla completamente perdido. Se desespera pensando que morirá de hambre y de sed en las tinieblas. Afortunadamente, logra oír las voces de su tío y del guía gracias a la propagación del sonido por la caverna. Este efecto sonoro les permite reencontrarse.
Los viajeros llegan a la orilla de un vasto mar subterráneo. Allí ven un bosque de hongos enormes, entre otras formas de vegetación extrañas. Lidenbrock resuelve que cruzarán el mar hasta alcanzar la otra orilla, pero aquella masa de agua es mucho más grande de lo que esperaban. En medio del camino por el mar, presencian una batalla entre dos enormes monstruos prehistóricos: un ictiosaurio y un plesiosaurio.
Poco tiempo después, el clima empieza a cambiar y se forma una tormenta terrible. Los viajeros son zarandeados por las olas mientras los relámpagos truenan por todas partes. Un disco de fuego los alcanza chispeando y magnetizando los elementos, a lo que sobreviven sujetándose a la balsa. Antes de volver a la calma, la tempestad los arroja a una orilla. Mientras Hans repara la balsa y junta alimentos y posesiones, tío y sobrino observan que la brújula marca el Norte donde debería estar el Sur. Esto significa que la tormenta los ha arrastrado a la orilla de la que partieron. Lidenbrock se enfada al principio, pero sigue obstinado en su plan de continuar el viaje. Axel no deja de asombrarse de la terquedad y del coraje de su tío. Él solo desea regresar a la superficie.
Antes de volver a embarcarse, Axel y Lidenbrock exploran aquella parte de la costa y descubren más especímenes fosilizados. Quedan atónitos cuando encuentran cuerpos humanos completamente conservados. Al adentrarse en un bosque del período terciario, divisan mastodontes y un hombre gigante. Como no quieren ser detectados, tío y sobrino huyen. A continuación, encuentran un cuchillo oxidado del siglo XVI y marcas en una roca: son las iniciales de Arne Saknussemm, que ha señalado un túnel por el que continúa el camino hacia el centro. Ambos se alegran de que la tormenta los haya dejado en aquel lugar que indica el camino a seguir. Ahora Axel acompaña a Lidenbrock en la determinación de alcanzar el objetivo del viaje.
Pronto son detenidos por una enorme roca en su ruta, que debe haber caído tiempo después del viaje de Saknussemm. El entusiasmado Axel sugiere usar explosivos para abrir una brecha en la roca. Los demás están de acuerdo y ponen en marcha el plan. Encienden una mecha y aguardan la detonación arriba de la balsa en el mar.
La explosión hace que todo el océano se precipite por la abertura. Los tres hombres son arrastrados por el agua y descienden en vertical por el pozo. Esta experiencia es aterradora y casi perecen. Al cabo de un tiempo, se dan cuenta de que la balsa empieza a ascender velozmente por una chimenea. El calor aumenta y las paredes se desmoronan a su alrededor. Lidenbrock confía en que la erupción los llevará a la superficie de la Tierra.
Los viajeros son expulsados por el volcán Etna en Stromboli, una isla de Italia. Ya a salvo, los tres hombres se encuentran en un entorno verde y exuberante, donde comen fruta y beben de un arroyo. En el puerto de Stromboli se hacen pasar por sobrevivientes de un naufragio para que los pescadores los ayuden a volver a casa.
Axel y Lidenrbock regresan a Hamburgo. Hans los acompaña, pero después vuelve a Islandia. Axel se reencuentra con su amada Graüben. Lidenbrock difunde su aventura y se convierte en una celebridad. Su narración del viaje al centro de la Tierra se traduce en diferentes idiomas. Antes de cerrar la historia, tío y sobrino se dan cuenta de que la brújula se averió con la magnetización del disco de fuego.
