В первых строках романа В. А. Обручев описывает слушание заседанием Императорского Русского географического общества доклада экспедиции, «снаряженной для поисков пропавшего без вести Толля и его спутников» из уст неназванного «морского офицера, совершившего смелое плавание в вельботе через Ледовитое море с Новосибирских островов на остров Беннетта, на который высадился барон Толль, оттуда не вернувшийся»; упоминается «мужественное лицо докладчика, обветренное полярными непогодами». Этому описанию полностью соответствует реальный человек — Александр Васильевич Колчак, который к моменту написания книги уже несколько лет как без суда был расстрелян большевиками[1] и которого открыто в 1924 году назвать автор не мог. За плавание на остров Беннетта лейтенант Колчак был награждён высшей наградой Русского географического общества — Константиновской медалью.
В качестве главного героя писатель выводит бывшего студента, политического ссыльного Матвея Горюнова, фанатически уверенного в существовании Земли Санникова, пристанища улетающих на север птиц, место обитания пропавших онкилонов и единственно возможного места, где могли спастись Толль и его спутники. Получив поддержку и финансовую помощь от академика Шенка, Горюнов формирует экспедицию в составе двух своих товарищей, также ссыльных студентов Семёна Ордина и Павла Костякова и двух опытных промышленников — казака Капитона Никифорова и якута Никиты Горохова (брата пропавшего без вести спутника барона Толля).
Характеры главных героев лишь слегка намечены: фанатик науки Горюнов, романтичный мечтатель Ордин, суеверный и приземлённо-практичный Горохов, добродушный и грубоватый Никифоров. Одной из сквозных тем книги является противостояние носителя мифологического взгляда на мир — якута Горохова и не верящего «ни в сон, ни в чох» учёного Горюнова. Горохов не единожды высказывает предупреждения участникам экспедиции:
«И подумалось мне, что это не земля, а марево. Завлечёт нас, все будет маячить вдали и манить. Заедем так далеко, что и вернуться нельзя будет… И как вы себе хотите, Матвей Иванович, а всё это — одно наваждение, марево, и земля эта, и леса, и луга, и звери. Вот увидите, завтра проснёмся, ничего, кроме снега, не будет…»
Впрочем, основное место в этой книге занимает детальное описание окружающей природы, строения почвы и животного мира открытой земли, быта и обычаев онкилонов. Вместе с онкилонами на Земле Санникова проживали и вампу — уцелевшие люди древнекаменного века. Они постоянно враждовали с онкилонами, похищая у последних домашних животных и женщин. На этом острове путешественники обнаружили «живых ископаемых» существ: первобытных быков и лошадей, гигантских оленей (но измельчавшей породы), пещерных медведей, шерстистых носорогов и, конечно, «богов вампу» — мамонтов.
Онкилоны приветливо встретили экспедицию. В течение полугода пришельцы и онкилоны вместе жили, охотились, сражались с вампу. Каждому члену экспедиции даже пришлось выбрать себе жену, а Ордин взял сразу двух. Ничто не омрачало благодушного настроения селения до того момента, когда одно из землетрясений не нарушило естественные подземные ходы, по которым шло тепло из глубин. Тогда онкилоны начали воспринимать «белых людей» как зло. Последовавшие за этим катаклизмы грозили уничтожить жизнь на вулканическом острове, однако участники экспедиции, за исключением Костякова, и одна из жен Ордина, Аннуир, сумели спастись и добраться до материка. Костяков же погиб вместе со всеми собранными на Земле Санникова коллекциями во время одного из землетрясений.
Заканчивается роман прямым обращение к читателям книги:
«Может быть, она возбудит интерес к таинственной Земле Санникова в ком-нибудь из нового поколения и побудит отправиться на поиски её среди ледяных просторов Северного моря».