德国矿物学教授利登布洛克买了一本书。他的侄子阿克赛对书中夹着的羊皮纸文字内容很感兴趣，废寝忘食地研究起来，终于悟出这是16世纪冰岛炼金术士阿恩·萨克奴珊地心之行的简要记录。
意外的发现使利登布洛克教授决心去地心一游。于是，他和助手阿克赛便出发去冰岛，在向导汉恩斯的帮助下，他们备足粮食，带上探险仪器和防卫武器，奔赴地心入口——斯奈弗火山口。
斯奈弗火山口呈倒圆锥形。他们滑到底部，在溶岩西面的木板上，发现了“阿恩·萨克奴珊”的签名，但无法确定三个洞口中哪一个通往地心。
他们在洞口等了三天，盼来了云开日出。根据羊皮纸上的文字指点，他们认定中午时分阳光所照耀的那个洞口为地心入口处，便走了下去。
穿过狭长的坑道，根据地温变化的情况，他们断定已经到了海平面以下3000多米的地方。阿克赛捡到一块类似土鳖的兽皮，教授认定这是古代节足动物中一种已经灭绝了的甲壳动物的皮。他们向四周一看，发现了许多发育较为齐全的动物遗骸：有硬鳞鱼，也有古爬虫巨蜥。渐渐地，大理石、片麻岩、石灰石和沙石，被一种暗淡无光的物质代替，这里竟然有煤矿！教授解释说：这里原来的植物先变成泥炭，又变成矿物。其实，这个原始坑道就是一座埋藏着无穷宝藏的迷宫，这里还有发光的金属层——铜、白金或黄金。
忽然，他们听到了隐隐的流水声。向导汉恩斯挥镐开凿岩壁，裂口里竟喷出含铁的沸水，他们称之为“汉恩斯小溪”。而“汉恩斯小溪”却把他们三人冲散了。阿克赛惊恐地呼喊着，当他把耳朵贴在岩壁上时，听到了教授的回应。这奇怪的传声现象是由地道的形状和岩石的传导率决定的。
经过一番曲折，三个旅行者又重逢了。他们的前方忽然出现了一片“海”。“海角”的一边是蘑菇森林，他们在这里找到了乳齿象的下颚骨。为了渡“海”，汉恩斯做了个大筏。航行途中，在距离木筏约100米的地方，他们突然看见有两只海兽在搏斗。其中一只长着海豚的鼻子、蜥蜴的脑袋、鳄鱼的牙齿，是古代爬虫类中最可怕的鱼龙；另一只是鱼龙的死敌颈龙，它有圆筒状的身体、短短的尾巴和浆状的四肢，伸缩的头颈一抬起，大约有10米高。他们举枪准备射击时，海兽却潜入海里去了。
正在这时，暴风雨来了。他们的木筏撞在岩石上，碎了。汉恩斯连忙去砍伐木材修理木筏。教授和阿克赛趁此机会，来到了一片冲积成的沉渣地上。他们的脚下到处都是各种贝壳和史前动物的遗骨。接着，他们又惊喜地发现了奇特兽、乳齿象、原猿、翼手龙的遗骨；在附近的火山上，他们还看见了个第四纪人的完整标本。
木筏修复了，他们继续前行，但他们的道路被花岗石地壳拦住了。为了打开通道，他们在岩石内放了炸药。没有听见爆炸声，却见岩石像一道帏幔似的分开了，眼前是深不可测的无底洞，海面掀起了巨浪，木筏直立在浪尖上。他们无论如何也没有想到，折回来的岩流已将他们带到火山喷口的边缘。经过打听，他们才知道，此刻所处的位置是西西里北部的斯特隆博利岛。
这次地心之行，行程将近6500公里，历时13个星期。教授和阿克赛告别了向导汉恩斯，踏上了回归汉堡的路程。