Axel, le neveu d'Otto Lidenbrock, éminent professeur et minéralogiste, raconte avec enthousiasme leur voyage jusqu'au centre de la Terre.
Le 24 mai 1863, Lidenbrock consulte le manuscrit runique du XIIe siècle qu’il vient d’acquérir, et y découvre un message crypté rédigé par un alchimiste islandais du XVIe siècle, Arne Saknussemm. Lidenbrock, captivé, est convaincu que Saknussemm souhaite partager une avancée scientifique majeure. Il s’emploie non sans mal à déchiffrer le message codé.
Heureusement, Axel parvient à décoder le code de Saknussemm. Celui-ci écrit que le voyageur qui escalade le cratère du volcan Snæfells peut atteindre le centre de la Terre. Lui-même aurait déjà entrepris ce voyage. Axel, conscient que son oncle ne pourra pas résister à l'envie de tenter l'aventure, décide initialement de garder sa découverte secrète. Il finit par céder, et Lidenbrock se lance immédiatement dans les préparatifs du voyage, implorant son neveu de l’accompagner. Bien que d’abord réticent, Axel est finalement convaincu par Graüben, sa fiancée et pupille de son oncle.
Lidenbrock et Axel quittent Hambourg pour se diriger vers Reykjavik, en Islande. Là, ils louent les services d’un guide nommé Hans, un homme de grande taille, placide et stoïque. Les trois compagnons entreprennent l'ascension du cratère du volcan et découvrent une pente qui les mène vers les profondeurs de la Terre. Parvenus à un carrefour, Lidenbrock choisit d’abord le mauvais chemin, les menant vers une impasse et les forçant à faire demi-tour. Pendant ce temps, leurs réserves d'eau s'amenuisent et l'expédition semble vouée à l'échec. Axel est extrêmement anxieux et pessimiste, mais il est intrigué par le fait que les paysages que le groupe semble remonter le temps de la géologie.
Hans part seul chercher de l’eau, et trouve une source qui s'écoule à travers une falaise. Il guide ses compagnons jusqu'à cette source, et perce un trou dans la paroi. Un petit ruisseau jaillit, et ce cours d’eau est ainsi baptisé du nom de Hans.
À un moment du voyage, Axel est séparé de son oncle et de leur guide, se retrouvant désespérément seul dans l'obscurité de la grotte, craignant de mourir de faim et de soif. Heureusement, il parvient à les retrouver grâce à un procédé auditif astucieux, semblable à celui de la transmission du son dans les cathédrales et les cavernes.
Les explorateurs arrivent bientôt au bord d'une vaste mer souterraine. Ils y découvrent plusieurs variétés d’immenses champignons et des plantes étranges.
Le voyage se poursuit, mais les conditions météorologiques changent brusquement et une violente tempête se déclenche. Les aventuriers sont ballotés par les vagues tandis que le tonnerre gronde et les éclairs illuminent l'horizon. Une boule électrique atterrit sur leur radeau et des flammes jaillissent. Ils ne réussissent à survivre qu’en s’arrimant. La tempête se calme enfin, déposant Axel et ses compagnons de l'autre côté de la mer. Ils réalisent rapidement que la boussole leur indique qu’ils se trouvent du même côté que celui d’où ils sont partis. Lidenbrock est d’abord furieux, puis décide joyeusement de poursuivre leur avancée. Axel est toujours aussi perplexe face à l'entêtement et l'audace de son oncle, et souhaite surtout rentrer chez lui.
Avant de se remettre en route, les aventuriers décident d'explorer cette partie du rivage et y découvrent d’incroyables fossiles datant des premiers temps de la vie sur Terre. Ils trouvent même des corps humains parfaitement préservés. Ils s'aventurent dans une somptueuse forêt de l'ère tertiaire et aperçoivent des mastodontes et un homme de douze pieds de haut. Axel et ses compagnons s'enfuient rapidement pour ne pas être repérés. Ils découvrent également un couteau rouillé et des marques sur un rocher, signe que Saknussemm est bien passé par là avant eux. Le destin a voulu que la tempête les amène là où ils devaient être.
Les trois compagnons poursuivent leur voyage sur les traces de Saknussem, mais se retrouvent rapidement face à un énorme rocher qui bloque le passage. Axel propose de le faire exploser pour ouvrir un passage.
Ils réalisent ensuite que l’explosion a causé une perturbation majeure : la mer toute entière s’engouffre dans l’ouverture, les emportant sur son passage. Les aventuriers, paniqués, craignent pour leur vie. Ils se rendent ensuite compte qu’ils se déplacent verticalement dans le cratère de la montagne. La chaleur devient de plus en plus intense et les parois s'effondrent autour d'eux. Lidenbrock reste serein, persuadé que cette éruption les ramènera jusqu'à la surface de la Terre.
Leur radeau dégringole le long du volcan Etna, en Sicile. Heureusement, les trois hommes survivent et se retrouvent dans un environnement verdoyant, où ils peuvent manger des fruits et se désaltérer. Ils tombent sur des pêcheurs, qui supposent que les voyageurs sont des rescapés d’un naufrage. Ils les aident à rentrer chez eux sains et saufs.
Une fois rentré, Lidenbrock donne des conférences sur ses voyages et écrit plusieurs livres. Grâce à ce périple, il devient mondialement connu.
