Der Roman erzählt die Geschichte des Ingenieurs Cyrus Smith, seines schwarzen Dieners Nab, des Kriegsberichterstatters Gideon Spilett, des Seemanns Pencroff, des Jungen Harbert und seines Hundes Top, die kurz vor Ende des Amerikanischen Bürgerkriegs in einem Freiballon aus einem Kriegsgefangenenlager in Richmond (Virginia) fliehen.

Die geglückte Flucht entpuppte sich aber bei einem aufkommenden Orkan als Beginn einer Odyssee westwärts quer über die Vereinigten Staaten. Völlig ohne Hilfsmittel landen die Schiffbrüchigen auf einer Insel, die in keinem Atlas der Welt verzeichnet ist. Die Insel befindet sich im südlichen Pazifik. Da sie die Insel, der sie den Namen Insel Lincoln geben, nicht mehr verlassen können, richten sie sich dort ein. Mit viel Phantasie verschaffen sie sich all das, was sie zum Leben benötigen: eine sichere Unterkunft in einer Höhle, Lebensmittel, Kleidung und Waffen. Cyrus Smith, der im Zivilleben als Ingenieur arbeitete, schafft es mit seiner Gruppe durch Nutzung aller auf der Insel vorhandenen Ressourcen, dem eigenen Ideenreichtum und der Nutzung der spezifischen Fähigkeiten der anderen, den Widrigkeiten zu trotzen. Die Kolonisten machen sich die Insel zu eigen. Immer wieder werden sie bei gefährlichen Situationen mit unerklärlichen Ereignissen konfrontiert. Um sich eine sichere Unterkunft zu schaffen, sprengen sie in die Steilwand am Ufer einen neuen Abfluss für den vorhandenen See, um eine natürliche Höhle wohnbar zu machen. In der Höhle befindet sich ein tiefer Schacht, in dessen Nähe Top, der treue Hund und Begleiter der Kolonisten, häufig unruhig wird. Der Schacht besitzt vermutlich eine unterirdische Verbindung zum Meer.

Ein wichtiges Ereignis für die Kolonisten ist das Auffinden von Strandgut in einer von zwei Schwimmbehältern getragenen Kiste. Durch die Zusammenstellung von nützlichem Werkzeug, Instrumenten, Büchern und sonstigen Dingen des täglichen Lebens können die Kolonisten ihre Insel noch lebenswerter machen. Mit einem Sextanten kann die genaue Lage der Insel im Pazifik ermittelt werden.

Nun haben die Kolonisten auch die Möglichkeit, sich ein kleines Schiff (die Bonadventure) zu bauen. Während der Jungfernfahrt fischt Harbert eine Flaschenpost auf, die ein Schiffbrüchiger auf einer Nachbarinsel – Tabor – ins Meer geworfen hat. Harbert, Pencroff und Spilett segeln nach Tabor, finden den reichlich verwahrlosten Schiffbrüchigen und bringen ihn auf die Insel Lincoln. Langsam gewöhnt sich Ayrton – so heißt der Schiffbrüchige – wieder an die menschliche Gesellschaft. Er erzählt, dass er als entlarvter Freibeuter zwölf Jahre zuvor von Lord Glenarvan nach den Ereignissen um die Suche nach Kapitän Grant auf der Insel Tabor ausgesetzt worden sei. Eine Flaschenpost hat Ayrton allerdings nie abgeschickt.

Überschattet wird das Inseldasein vom Eintreffen eines Schiffes, welches zuerst Rettung verheißt. Aber das geheimnisvolle Schiff unter schwarzer Flagge ist voller Piraten. Die Piraten greifen die Kolonisten an, als sie erkennen, dass sie nicht allein auf der Insel sind. Sie beschießen mit ihrem Schiffsgeschütz die Wohnung der Kolonisten. Die Lage erscheint für diese aussichtslos. Auch hier hilft wieder ein geheimnisvoller Wohltäter, der das Piratenschiff für die Kolonisten überraschend in die Luft sprengt.

Nachdem sie fast vier Jahre auf der Insel gelebt haben, ruft sie der unbekannte Wohltäter zu sich. Es stellt sich heraus, dass es Kapitän Nemo ist, der mit seinem Unterseeboot Nautilus in einer Grotte unter der Insel festsitzt. Hierher hat sich Kapitän Nemo zurückgezogen. Kapitän Nemo ist ein Inder, der als Prinz Dakkar, Sohn eines Rajahs des früher unabhängigen Territoriums Bundelkund und Neffe des indischen Helden Tippo-Saib, geboren wurde. Sein Vater schickte ihn schon im zehnten Lebensjahre nach Europa, um ihn eine möglichst gute Erziehung genießen zu lassen, und mit der zu Grunde liegenden Absicht, eines Tages mit gleichen Waffen gegen die kämpfen zu können, welche er als die Unterdrücker seines Landes betrachtete. Nemo hatte mit der Menschheit gebrochen. Aber die Kameradschaft der Kolonisten untereinander hat ihm das Vertrauen in die Menschheit zurückgegeben. Nemo merkt, dass seine Tage gezählt sind, und möchte die Kolonisten warnen. Kurz vor seinem Tod erzählt ihnen Nemo von einem bevorstehenden Vulkanausbruch, der die Insel zerstören wird. Der Vulkan der Insel (benannt nach Benjamin Franklin), der bereits erste Anzeichen eines erneuten Ausbruchs zeigt, stellt eine ernsthafte Bedrohung dar. Unterirdische Risse werden zu einem Eindringen von Meerwasser in den Krater führen, was zu einer Explosion der Insel führen wird. Nemo stirbt und sinkt mit der Nautilus in ein nasses Grab. Ein größeres Schiff muss gebaut werden, um so die Flucht von der Insel zu schaffen. Ein Wettlauf mit der Zeit beginnt, doch der Vulkan bricht aus und zerstört fast vollständig die Insel Lincoln. Die Kolonisten und Ayrton werden schließlich von einer Dampfyacht (der Duncan) von einem kleinen, verbleibenden Granitfelsen gerettet, die von Robert, dem Sohn des Kapitäns Grant, geführt wird. Dieser will nach zwölf Jahren das Versprechen Lord Glenarvans wahr machen, der Ayrton nach einer angemessenen Frist der Läuterung wieder auf der Insel Tabor aufsuchen wollte. Kapitän Nemo hatte dort eine Botschaft mit den Ortsangaben der unbekannten Insel Lincoln hinterlegt, die von der Besatzung der Duncan gefunden wurde. So trug Nemo, selbst nach seinem Tode, noch ein letztes Mal zur Rettung der Kolonisten bei.