潜艇来到一个已经熄灭了的火山中心取燃料，阿龙纳斯教授和同伴出去游览了一通。潜艇来到马尾藻海。下潜到海底一万六千米的深度竟安然无恙。鹦鹉螺号驶向南大西洋海域，海面上出现了一群长须鲸，捕鲸手内德·兰德向艇长请求让他去捕杀，却被艇长劝住了。艇长说，人类不应该滥杀这种善良无害的动物。不一会儿，来了一大群长须鲸的天敌——抹香鲸，鹦鹉螺号为了保护长须鲸狠狠地冲杀抹香鲸。
鹦鹉螺号开往终年积雪结冰的南极圈，冲撞大冰盖，浮出水面。阿龙纳斯教授和尼摩艇长登上南极大陆，观察到南极特有的美丽景观。潜艇在驶离南极时，被一大块倒下来的冰块砸到了，潜艇一时找不到出路，陷入困境。潜艇四周都围着厚厚的冰墙。艇长镇定自若地指挥大家轮班开凿冰墙，喷射开水阻止新的结冰。艇内极度缺氧，但秩序井然。经过共同努力，潜艇终于冲出冰墙，冲破冰原，呼吸到了新鲜的空气。
潜艇从大西洋往北，沿着南美洲的曲折海岸行驶，在亚马逊河口，阿龙纳斯教授们用印颈鱼作饵来钓海龟。潜艇来到留卡斯群岛附近，突然围上一群大章鱼。章鱼缠住螺旋桨，潜艇动弹不得。在艇顶平台上，人和章鱼展开了激烈的搏斗。在生死关头，尼摩艇长挺身而出救下了处于死亡边沿的内德·兰德。尼摩艇长为在人鱼大战中牺牲的艇员而哀伤。鹦鹉螺号继续向北，航行在墨西哥湾暖流上。艇长将自己的研究总结用几种不同的语言写成，签上名字，装进一只容器中扔进大海，希望能为人类所得。阿龙纳斯教授向他提出离开潜艇的要求遭到拒绝。暴风雨来临，艇长站在艇顶迎接风浪，岿然不动。
尼摩艇长潜入海底凭吊英勇不屈的复仇者号。一艘战舰向潜艇发起攻击，经过几番周旋，潜艇将战舰撞沉，艇长获得了一份复仇的快感。阿龙纳斯教授逃离潜艇前听到他正在静静地忏悔；阿龙纳斯教授们三人利用附在潜艇上的小艇逃跑，可恰在此时，潜艇被卷入了大旋流中，阿龙纳斯教授们的小艇也难逃厄运。阿龙纳斯教授和两个同伴被罗佛丹群岛的渔民救起。尼摩艇长及其鹦鹉螺号一起下落不明。
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