Главный герой романа. своенравный пятидесятивосьмилетний профессор Отто Лиденброк, проживающий в Гамбурге, преподаёт в университете минералогию и геологию.
Действие начинается 24 мая 1863 года. В недавно приобретённом манускрипте двенадцатого века, написанном рунами, профессор обнаруживает зашифрованное сообщение исландского алхимика Арне Сакнуссемма, жившего в XVI веке. Профессор считает, что Сакнуссемм хочет поделиться научным открытием, и просит рассказчика — своего племенника Акселя — расшифровать послание.
По счастливой случайности Акселю удаётся расшифровать документ. Арне Сакнуссемм сообщает, что путник, забравшийся на кратер вулкана Снайфедльсйёкюдль, сможет попасть в центр Земли. Он сам предпринял это путешествие. Профессор Линденброк, как настоящий геолог, решает отправиться к центру Земли, а Аксель должен его сопровождать.
Профессор и племянник покидают Гамбург. Остановившись в Дании для отдыха, они перебираются в Исландию. В Рейкьявике они приглашают в качестве проводника человека по имени Ханс Бйелке. Втроем они поднимаются на кратер вулкана и находят там спуск вниз.
Им удаётся проникнуть в глубину Земли. Когда они достигают развилки, то выбирают вначале неправильный маршрут, дорога заканчивается тупиком, и они поворачивают обратно. Тем временем их запас воды на исходе и кажется, что экспедиция обречена на провал.
Ханс покидает своих товарищей и отправляется на поиски воды. Он находит источник, который течёт по стенке скалы, и приводит к нему друзей. Киркой они пробивают в стенке дыру так, что из неё вытекает небольшой ручеёк. Его называют «Ручеёк Ханса».
Во время дальнейшего спуска Аксель теряет своих друзей. Они находят друг друга только через несколько дней благодаря звуковому феномену, похожему на феномен в соборе св. Павла.
Герои выходят на берег подземного моря, которое пересекают на плоту. На другом берегу они видят огромные грибы, которых идентифицируют, как гигантские шампиньоны. Помимо грибов здесь есть ещё и причудливые растения, а также маленький остров с гейзером.
Путешествуя по подземному миру, друзья видят бой между ихтиозавром и плезиозавром. Вскоре начинается шторм, во время которого в плот попадает шарообразная молния. Шторм прибивает их к другому берегу. Там они обнаруживают остатки доисторических людей.
Там же наши герои находят следы Сакнуссеммса и вход в другую пещеру. Грот заканчивается через несколько метров. Когда путешественники пытаются освободить проход, подземное море проваливается в бездну, а плот затягивает в воронку. Они оказываются сначала на воде, затем на лаве вулкана острова Стромболи недалеко от Сицилии. Через кратер они выбираются на поверхность.