Otto Lidenbrock sa zaoberá geológiou a mineralógiou. Spolu s ním žije jeho mladý synovec Axel, ktorý je zároveň rozprávačom príbehu. Jedného dňa profesor v starom islandskom rukopise nájde zašifrovanú správu napísanú alchymistom Arnem Saknussemom, ktorý údajne podnikol výpravu do stredu Zeme. Profesor sa rýchlo nadchne myšlienkou vydať sa po jeho stopách. Po dešifrovaní správy sa ukáže, že cesta vedie cez sopku Sneffels na Islande, ktorej kráter je údajne vstupom do podzemných hlbín. Axel má spočiatku obavy, no profesor ho presvedčí, že ide o vedecký objav storočia, a tak sa vydajú na cestu. Po príchode na Island si najímajú skúseného a silného sprievodcu Hansa Bjelkeho, ktorý im bude pomáhať počas celej výpravy. Trojica vstupuje do sopky Sneffels a začína zostupovať do útrob Zeme. Už od začiatku čelia rôznym ťažkostiam – tma, zablúdenie v spleti tunelov, vyčerpanie a hlavne nedostatok vody. Situácia sa stáva kritickou, no Hans zachová chladnú hlavu a nájde podzemný prameň, ktorý ich zachráni. Postupne zostupujú hlbšie a hlbšie, pričom prechádzajú rôznymi geologickými vrstvami a nachádzajú dôkazy o minulých obdobiach Zeme.
V jednej chvíli sa Axel stratí a zažije panický strach v úplnej tme a tichu. Nakoniec sa znova stretne so svojimi spoločníkmi vďaka ozvene a Hansovej vytrvalosti. Cesta ich nakoniec privedie k obrovskému podzemnému moru, ktoré pomenovali Lidenbrockovo more. Musia si postaviť plť, aby sa dostali cez jeho hladinu. Podzemný svet a prehistorické tvory
Na mori ich postihne búrka a plť ich zanesie na opačný breh. Počas plavby si všimnú úžasné prírodné javy: fosílie, podivné rastliny, a dokonca aj živé praveké tvory, ako sú ichtyosaury a plesiosaury, ktoré medzi sebou zápasia. V podzemnom svete existuje akési vlastné „slnko“, ktoré vydáva svetlo, hoci nie je teplé ako naše Slnko. Na brehu narazia na ďalšie pozoruhodnosti – praveké lesy, obrovské huby a dokonca aj pravekých ľudí – obrích neandertálcov. Axel a ostatní si uvedomia, že tento svet je ako živá minulosť Zeme, ukrytá hlboko pod povrchom. Napokon narazia na obrovskú priepasť, ktorú chcú preskúmať, no zrazu sa spustí vulkanická erupcia. Láva a tlak ich donútia ustúpiť. Snažia sa dostať preč, no sú vtiahnutí do prúdu stúpajúcej magmy. Ich výprava sa končí, keď ich sopka Stromboli (v Taliansku) vyvrhne späť na povrch. Napriek nebezpečenstvám a extrémnym podmienkam sa všetci traja účastníci výpravy vrátia živí a zdraví. Po návrate sú ich príbehy považované za neuveriteľné, no profesor si je istý svojím objavom a berie to ako potvrdenie svojich teórií.
