德國礦物學教授利登布洛克買了一本書。他的侄子阿克賽對書中夾著的羊皮紙文字內容很感興趣，廢寢忘食地研究起來，終于悟出這是16世紀冰島煉金術士阿恩·薩克奴珊地心之行的簡要記錄。

意外的發現使利登布洛克教授決心去地心一游。于是，他和助手阿克賽便出發去冰島，在向導漢恩斯的幫助下，他們備足糧食，帶上探險儀器和防衛武器，奔赴地心入口——斯奈弗火山口。

斯奈弗火山口呈倒圓錐形。他們滑到底部，在溶巖西面的木板上，發現了“阿恩·薩克奴珊”的簽名，但無法確定三個洞口中哪一個通往地心。

他們在洞口等了三天，盼來了云開日出。根據羊皮紙上的文字指點，他們認定中午時分陽光所照耀的那個洞口為地心入口處，便走了下去。

穿過狹長的坑道，根據地溫變化的情況，他們斷定已經到了海平面以下3000多米的地方。阿克賽撿到一塊類似土鱉的獸皮，教授認定這是古代節足動物中一種已經滅絕了的甲殼動物的皮。他們向四周一看，發現了許多發育較為齊全的動物遺骸：有硬鱗魚，也有古爬蟲巨蜥。漸漸地，大理石、片麻巖、石灰石和沙石，被一種暗淡無光的物質代替，這里竟然有煤礦！教授解釋說：這里原來的植物先變成泥炭，又變成礦物。其實，這個原始坑道就是一座埋藏著無窮寶藏的迷宮，這里還有發光的金屬層——銅、白金或黃金。

忽然，他們聽到了隱隱的流水聲。向導漢恩斯揮鎬開鑿巖壁，裂口里竟噴出含鐵的沸水，他們稱之為“漢恩斯小溪”。而“漢恩斯小溪”卻把他們三人沖散了。阿克賽驚恐地呼喊著，當他把耳朵貼在巖壁上時，聽到了教授的回應。這奇怪的傳聲現象是由地道的形狀和巖石的傳導率決定的。

經過一番曲折，三個旅行者又重逢了。他們的前方忽然出現了一片“海”。“海角”的一邊是蘑菇森林，他們在這里找到了乳齒象的下顎骨。為了渡“海”，漢恩斯做了個大筏。航行途中，在距離木筏約100米的地方，他們突然看見有兩只海獸在搏斗。其中一只長著海豚的鼻子、蜥蜴的腦袋、鱷魚的牙齒，是古代爬蟲類中最可怕的魚龍；另一只是魚龍的死敵頸龍，它有圓筒狀的身體、短短的尾巴和漿狀的四肢，伸縮的頭頸一抬起，大約有10米高。他們舉槍準備射擊時，海獸卻潛入海里去了。

正在這時，暴風雨來了。他們的木筏撞在巖石上，碎了。漢恩斯連忙去砍伐木材修理木筏。教授和阿克賽趁此機會，來到了一片沖積成的沉渣地上。他們的腳下到處都是各種貝殼和史前動物的遺骨。接著，他們又驚喜地發現了奇特獸、乳齒象、原猿、翼手龍的遺骨；在附近的火山上，他們還看見了個第四紀人的完整標本。

木筏修復了，他們繼續前行，但他們的道路被花崗石地殼攔住了。為了打開通道，他們在巖石內放了炸藥。沒有聽見爆炸聲，卻見巖石像一道幃幔似的分開了，眼前是深不可測的無底洞，海面掀起了巨浪，木筏直立在浪尖上。他們無論如何也沒有想到，折回來的巖流已將他們帶到火山噴口的邊緣。經過打聽，他們才知道，此刻所處的位置是西西里北部的斯特隆博利島。

這次地心之行，行程將近6500公里，歷時13個星期。教授和阿克賽告別了向導漢恩斯，踏上了回歸漢堡的路程。