Переплыв Атлантический океан и пройдя через Магелланов пролив, «Дункан» оказывается в Тихом океане и направляется к берегам Патагонии, где, по некоторым предположениям — сначала именно так истолковали записку, — капитан Грант томится в плену у индейцев.
Пассажиры «Дункана» — лорд Гленарван, майор Мак-Наббс, Паганель, Роберт и трое матросов — высаживаются на западном побережье Патагонии, а Элен Гленарван и Мэри под опекой Джона Манглса остаются на паруснике, который должен обогнуть континент и ждать путешественников на восточном побережье, у мыса Корриентес.
В пампасах путникам грозит гибель от жажды. Талькав, Гленарван и Роберт, чьи лошади ещё не очень утомлены, отправляются на поиски воды и опережают остальных. У реки ночью на них нападает стая красных волков. Троим путешественникам грозит неминуемая гибель. Тогда Роберт вскакивает на быстроногую Тауку, лошадь Талькава, и, рискуя быть растерзанным волками, увлекает стаю от Гленарвана и Талькава. Ему удаётся избежать гибели. Он присоединяется к группе Паганеля и утром вновь встречается со спасёнными им Гленарваном и Талькавом.
Паганелю приходит в голову мысль, что первоначально записка капитана Гранта была истолкована неверно и что речь в ней идёт не о Патагонии, а об Австралии. Он весьма доказательно убеждает остальных в правильности своего вывода, и путешественники принимают решение вернуться на корабль, чтобы продолжить плавание до берегов Австралии. Так они и поступают.
Они обследуют, но тщетно, два острова, лежащих по пути, — Тристан-да-Кунья и Амстердам. Затем «Дункан» приближается к мысу Бернулли, расположенному на австралийском побережье. Гленарван высаживается на сушу. В нескольких милях от берега стоит ферма некоего ирландца, который радушно принимает путешественников. Лорд Гленарван рассказывает ирландцу о том, что привело его в эти края, и спрашивает, нет ли у него сведений об английском трёхмачтовом судне «Британия», потерпевшем крушение около двух лет назад где-то у западных берегов Австралии.
Айртон говорит с подкупающей искренностью. В его словах трудно сомневаться. К тому же за него ручается ирландец, у которого он служил. Лорд Гленарван верит Айртону и по его совету принимает решение пересечь Австралию по тридцать седьмой параллели. Гленарван, его жена, дети капитана Гранта, майор, географ, капитан Манглс и несколько матросов, собравшись в небольшой отряд, отправляются в путь во главе с Айртоном. «Дункан» же, получивший некоторые повреждения в корпусе, берет курс на Мельбурн, где планируется проведение его ремонта. Команда яхты во главе с помощником капитана Томом Остином там должна ожидать распоряжений Гленарвана.
Вскоре Айртон заводит отряд в лес. Путешественники вынуждены на неопределённое время остановиться, поскольку перед ними — бурная разлившаяся река, которую можно будет перейти вброд только тогда, когда она вернётся в нормальное русло. Тем временем из-за непонятной болезни гибнут все быки и лошади, за исключением той, что была подкована трилистником. Однажды вечером майор Мак-Наббс видит в тени деревьев каких-то людей. Не говоря никому ни слова, он отправляется на разведку. Оказывается, что это каторжники; он подкрадывается к ним и подслушивает их разговор, из которого становится очевидным, что Бен Джойс и Айртон — это одно лицо, а его банда во время всего путешествия отряда Гленарвана по материку держалась от него поблизости, ориентируясь на след лошади с подковой Блэк-Пойнта. Вернувшись к своим друзьям, майор до поры до времени не говорит им о своём открытии. Айртон уговаривает лорда Гленарвана приказать «Дункану» из Мельбурна отправиться на восточное побережье — там бандиты легко завладели бы яхтой. Предателю уже почти вручают приказ на имя помощника капитана, но тут майор его разоблачает и Айртону приходится бежать. Перед тем как скрыться, он ранит Гленарвана в руку.
Через некоторое время путники принимают решение послать в Мельбурн другого гонца. Вместо раненого Гленарвана приказ пишет Паганель. Один из матросов отправляется в путь. Однако Бен Джойс тяжело ранит матроса, отнимает у него письмо и сам едет в Мельбурн. Его банда переходит реку по мосту, оказавшемуся неподалёку, а затем сжигает его, чтобы Гленарван не смог им воспользоваться. Отряд ждёт, когда понизится уровень реки, затем сооружает плот и на плоту переправляется через успокоившуюся реку. Добравшись до побережья, Гленарван понимает, что банда Бена Джойса уже завладела «Дунканом» и, перебив команду, отправилась на нем в неизвестном направлении.
Все приходят к выводу, что необходимо поиски прекратить, ибо совершать их уже не на чем, и вернуться в Европу. Однако выясняется, что корабля, отправляющегося в Европу, возможно, придётся ждать очень долго. Тогда путешественники решают доплыть до Окленда, что в Новой Зеландии: оттуда рейсы в Европу регулярны. На утлом судёнышке с вечно пьяными капитаном и матросами, пережив бурю, во время которой судно садится на мель, Гленарван с друзьями все же достигает берегов Новой Зеландии.
Гленарван пытается убедить Айртона дать истинные сведения о гибели «Британии». Многократные просьбы и упорство леди Гленарван делают своё дело. Айртон согласен рассказать все, что знает, а в обмен на это просит, чтобы его высадили на каком-нибудь необитаемом острове в Тихом океане. Гленарван принимает его предложение. Выясняется, что Айртон покинул «Британию» ещё до крушения. Он был высажен Гарри Грантом в Австралии за попытку организации мятежа. История Айртона не проливает света на местонахождение капитана Гранта. Однако Гленарван держит своё слово. «Дункан» плывёт все дальше, и вот вдали показывается остров Табор. На нем и решено оставить Айртона. Однако на этом клочке суши, лежащем на тридцать седьмой параллели, происходит чудо: оказывается, что именно здесь нашли приют капитан Грант и двое его матросов. Вместо них на острове остаётся Айртон, чтобы иметь возможность раскаяться и искупить свои преступления. Гленарван обещает, что когда-нибудь за ним вернётся.
А «Дункан» благополучно возвращается в Шотландию. Мэри Грант вскоре обручается с Джоном Манглсом, с которым за время их совместного путешествия её связало нежное чувство. Паганель женится на двоюродной сестре майора. Роберт же, как и его отец, становится бравым моряком.