Axel, el sobrino entusiasta y excitable del ilustre profesor y 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 del alquimista islandés del siglo XVI Arne Saknussemm. Lidenbrock está emocionado y cree que Saknussemm quiere compartir un descubrimiento científico. El profesor quiere descifrar el mensaje pero tiene problemas para hacerlo.
Afortunadamente, Axel logra descifrar el documento. Arne Saknussemm informa que el viajero que sube al cráter del volcán Snæfells puede llegar al centro de la Tierra; aparentemente emprendió este viaje él mismo. Axel sabe que su tío querrá hacer un intento similar y decide no contarle sobre el hallazgo, pero finalmente cede. Lidenbrock inmediatamente comienza a planificar el viaje y le dice a su sobrino que también lo acompañe. Axel se muestra reacio hasta que su prometida Grauben, la pupila de su tío, le dice que debería hacer la excursión.
Lidenbrock y Axel salen de Hamburgo y viajan a Islandia. En Reykjavik contratan a un guía llamado Hans, un hombre plácido y estoico de gran estatura. Los tres suben al cráter del volcán y encuentran una pendiente hacia abajo. Logran penetrar en las profundidades de la Tierra. Cuando llegan a una encrucijada, Lidenbrock elige primero la ruta incorrecta; este camino inicial es un callejón sin salida y se ven obligados a dar marcha atrás. Mientras tanto, su suministro de agua se agota y parece que la expedición está condenada al fracaso. A lo largo de esta etapa, Axel está sumamente ansioso y pesimista. Sin embargo, le intriga que él y sus compañeros aventureros parezcan estar volviendo al pasado prehistórico en términos de geología.
Hans deja a sus compañeros para ir en busca de agua. Encuentra una fuente que fluye a través de la pared de un acantilado y conduce a los demás allí. Después de que Hans perfora un agujero en la pared, fluye un pequeño arroyo: este cuerpo de agua lleva el nombre de Hans.
En un momento del viaje, Axel se separa de su tío y guía; desespera morir de hambre y sed en la caverna oscura. Afortunadamente, un truco auditivo (muy parecido al uso del sonido en catedrales y cavernas) les permite volver a conectarse.
Los viajeros pronto llegan a la orilla de un vasto mar subterráneo. Allí ven enormes setas, que se identifican como los champiñones gigantes. Además, hay más formas de hongos y plantas extrañas. Los exploradores saben que tienen que cruzar un mar y lo hacen, pero este mar es mucho más grande de lo que esperan. En su ruta acuática, ven una batalla entre criaturas antiguas y masivas: el ictiosaurio y el plesiosaurio.
A medida que continúa el viaje, el clima cambia y comienza una tormenta masiva. Los aventureros se mueven sobre las olas; truenos y relámpagos suenan y chispas por todas partes. Una bola eléctrica se posa en la balsa de los exploradores y estallan las llamas. Solo sobreviven azotándose a sí mismos. Finalmente, la tormenta se calma y deposita a Axel y los demás al otro lado del mar. Sin embargo, no pasa mucho tiempo antes de que la brújula revele que en realidad terminaron en el mismo lado de donde comenzaron. Lidenbrock se enfurece al principio, pero luego decide alegremente seguir adelante. Axel se sorprende constantemente por la terquedad y el coraje de su tío, y desea que pudieran irse a casa.
Sin embargo, antes de partir, los aventureros exploran esta otra parte de la costa y descubren increíbles especímenes fosilizados de los primeros días de la vida planetaria. Incluso encuentran cuerpos humanos enteros preservados. Cuando se adentran en un bosque del período Terciario de increíble follaje, ven mastodontes y un hombre de tres metros y medio. Sin querer ser detectado, Axel y sus compañeros huyen rápidamente. También descubren un cuchillo oxidado y marcas en una roca; Saknussemm estaba allí y había encontrado la ruta hacia el centro. Es un giro del destino que la tormenta haya devuelto a la expedición a donde tenía que estar.
Axel y sus compañeros continúan por el camino de Saknussemm, pero son detenidos por una enorme roca que debe haberse alojado en el pasadizo en algún momento entre su viaje y el suyo. Ahora lleno de celo por el viaje, Axel sugiere usar potencia de fuego para abrir una abertura. Los exploradores ponen en marcha este plan y esperan en su balsa.
Después de que ocurre la explosión, Axel, su tío y Hans se dan cuenta de que han creado una interrupción. El mar entero pasa corriendo por la abertura y los tres hombres son arrastrados salvajemente por las olas. Esta experiencia es aterradora; casi mueren. Después de un tiempo, se dan cuenta de que se están moviendo verticalmente por el eje de la montaña. El calor crece y las paredes se derrumban a su alrededor. Lidenbrock no se asusta y sabe que esta erupción es lo que los llevará a la superficie de la Tierra.
La balsa cae del volcán Etna en Stromboli, un sitio en medio del Mediterráneo. Afortunadamente, los tres hombres sobreviven y se encuentran en un entorno verde y exuberante. Comen fruta y beben de un arroyo. Los pescadores de Stromboli suponen que los exploradores subterráneos han sobrevivido a un naufragio y los ayudan a llegar a casa.
Después de su regreso sano y salvo, Lidenbrock se vuelve famoso y reconocido por su narrativa y sus conferencias sobre sus viajes.