Kapitän Nemos U-Boot „Nautilus“ rettet ertrinkende Passagiere und bringt sie in die Unterwasserstadt Templemer (ausgesprochen: Temple-Meer), wo ihnen mitgeteilt wird, dass sie für immer dort bleiben werden. Zu diesen Überlebenden gehören die Diebesbrüder Barnaby und Swallow Bath, der feige Lomax, Helena Beckett und ihr Sohn sowie Senator Robert Fraser.
Nemo nimmt sie mit auf eine Tauch-Tour durch die Stadt, doch Lomax versucht, Tauchausrüstung zu stehlen und zu fliehen, wird jedoch erwischt. Fraser scheint von einer musikalischen Darbietung der Schwimmlehrerin der Stadt, Mala, angetan zu sein, was Joab, Nemos Stellvertreter, bemerkt.
Joab zeigt den Bath-Brüdern, wie die Stadt Sauerstoff und Trinkwasser herstellt und dabei als Nebenprodukt Gold gewinnt, das sogar weggeworfen wird. Joab weist sie darauf hin, dass noch niemand aus Templemer entkommen ist. Lomax versucht zu fliehen, indem er die Sauerstoffmaschine nutzt, um die Kuppel der Stadt zu sprengen, schafft es jedoch nur, den Kontrollraum der Maschine zu überfluten, wobei er selbst ums Leben kommt. Währenddessen schleichen sich die Bath-Brüder in den verbotenen Bereich, wo sie ein zweites U-Boot entdecken, die „Nautilus II“. Da sie das zweite U-Boot als Fluchtmöglichkeit betrachten, bitten die Brüder Fraser um Hilfe.
Fraser lernt, wie man das U-Boot bedient. Während der Ausbildung rammen und töten sie Mobula, ein riesiges, mantaröhrenähnliches Wesen, das versehentlich beim Bau der Stadt entstanden ist. Fraser sagt Nemo, er solle gehen, da er versucht, die Waffenlieferungen für den amerikanischen Bürgerkrieg zu unterbinden. Nemo weigert sich und bietet Fraser eine Stelle bei Templemer an. Dies verärgert Joab, der Fraser und den „Baths“ hilft, die „Nautilus II“ zu stehlen – unter der Bedingung, dass sie ohne Blutvergießen abziehen und der Besatzung erlauben, mit dem intakten U-Boot zurückzukehren.
Es gelingt ihnen, das U-Boot zu entwenden, und Nemo verfolgt sie in seinem U-Boot. Nemo erklärt, dass ein Defekt an den Triebwerken der „Nautilus II“ vorliegt, der dazu führen könnte, dass sie explodiert. Die Verfolgungsjagd ist kurz. Da Nemo mit der Geschwindigkeit des flüchtenden U-Boots nicht mithalten kann, lässt er die „Nautilus I“ abdrehen, um zu versuchen, „unter dem Riff hindurchzufahren“. Verwirrt darüber, dass ihre Verfolger offenbar aufgeben, fragt Fraser den Ersten Offizier der „Nautilus II“, ob es „einen kürzeren Weg“ gebe, und erhält die Antwort: „Ja, den gibt es“, aber „dieses Schiff ist zu groß!“
Ein mittlerweile verzweifelter Fraser gibt den Befehl zur „Vollgeschwindigkeit“. Als das U-Boot beschleunigt, um das Schiff zu umfahren, führt eine Explosion zum Ausfall der Motoren, und das außer Kontrolle geratene Schiff prallt gegen ein Riff, bevor es noch unter Wasser zum Stillstand kommt. Die Besatzung legt zusammen mit Fraser und den Baths Tauchausrüstung an und versucht, aus dem nun vollgelaufenen U-Boot zu entkommen, doch Barnaby gerät in Panik und ertrinkt.
Die „Nautilus I“ nähert sich dem Wrack gerade noch rechtzeitig, um von der Explosion des größeren Schiffes heftig durchgeschüttelt zu werden; Joab wird durch einen Stromschlag getötet, als er gegen ein Bedienpult geschleudert wird. Todesschwer verwundet gesteht er Nemo, dass er Fraser bei der Flucht geholfen hat. Helena Beckett gibt zu, dass sie von dem Versuch wusste und dass sie und ihr Sohn beschlossen hatten, zu bleiben. Mala liest Nemo einen Brief vor, den Fraser hinterlassen hat. Darin dankt er Nemo dafür, dass er ihm einen Platz in der Zukunft der Stadt angeboten hat, den er jedoch nicht annehmen kann, da er an seine Mission und den „langsameren, schmerzhafteren Prozess“ hin zum Frieden glaubt.
Der Film endet damit, dass die „Nautilus“ Kurs auf Templemer nimmt. An der Oberfläche ist ein kleiner Schoner zu sehen, der mitten auf dem Ozean, weit entfernt von Land oder jeglichen Anzeichen von Schiffswracks, zwei Männer aufnimmt. Fraser und Swallow Bath, in Decken gehüllt, werden an Bord genommen, und als der Schoner sich zum Auslaufen bereitmacht, entdeckt Fraser, dass sein Begleiter eine goldene Kelle unter seinem Mantel versteckt hat. Die beiden tauschen ein wehmütiges Lächeln aus, und Fraser wirft sie leichtfertig ins Meer.