По дороге профессор и китобой подружились. Упрямец Нед, единственный из всей команды, не верил в существование «гигантского нарвала», считая все истории о нём газетными «утками». Тому, кто первым заметит чудище, капитан обещал 2000 долларов. За океаном следили десятки глаз, но «нарвал» всё не появлялся. Три месяца спустя экипаж фрегата потерял последнюю надежду. В полдень 5 ноября капитан повернул «в сторону европейских морей», а поздно вечером зоркий Нед Ленд увидел «нарвала». Капитан пытался догнать монстра весь день 6 ноября, но тот ускользал, приводя Фарагута и Неда в бешенство. Железные ядра специальной пушки отскакивали от шкуры «нарвала». Под вечер фрегат сумел подобраться поближе. Нед метнул свой гарпун, отскочивший от спины монстра с металлическим звоном. «Нарвал» обрушил на палубу мощные струи воды, которые смыли Аронакса в океан.
Вдруг судно тронулось с места. Некоторое время спустя его скорость возросла настолько, что друзья с трудом удерживались на поверхности. Почувствовав, что судно погружается, друзья начали стучать по металлической обшивке. Из люка вышли «восемь дюжих молодцев с закрытыми лицами» и повели их внутрь подводного корабля.
Пленников заперли в помещении, обитом листовым железом. Через некоторое время к ним вошёл высокий, красивый мужчина с гордой осанкой и твёрдым, спокойным взглядом. Он притворился, что не понимает ни одного европейского языка, и вскоре покинул комнату. Друзья провели в своей темнице несколько дней. Всё это время подводная лодка находилась в движении, а Нед Ленд гневался и составлял планы побега.
Судно Немо, «Наутилус», было построено по чертежам капитана. Части «Наутилуса», изготовленные в разных странах, были собраны воедино на собственной верфи капитана Немо. Двигалась лодка за счёт электрической энергии, получаемой из огромных натриевых батарей. Всё необходимое для жизни команда судна получала из океана. Даже ткань для одежды изготовлялась из водорослей. На поверхность «Наутилус» поднимался только чтобы определить своё местоположение, обновить запас воздуха и поохотиться в специальной водонепроницаемой шлюпке, которая хранилась под внешним выступом на корпусе судна. Получив с друзей обещание, Немо показал Аронаксу все чудеса «Наутилуса», в том числе вместительную библиотеку и салон-музей с чудесами морских глубин. Капитан отвёл профессору каюту радом со своей и предложил участвовать в своих научных изысканиях. С командой корабля пленники не общались — матросы разговаривали на каком-то искусственном языке и были всецело преданы капитану. Немо же считал команду «Наутилуса» своей семьёй.
Пять дней спустя профессор и его спутники получили от Немо письменное приглашение на охоту в лесах острова Креспо. Нед Ленд сразу подумал о побеге, но к его разочарованию охота оказалась подводной. Гарпунёр не рискнул надеть резиновый скафандр с медным шлемом, снабжённый баллоном со сжатым воздухом и осветительным аппаратом. Вместе с Немо и молчаливыми членами его команды на охоту отправился Аронакс с верным Конселем, не отстающим от хозяина ни на шаг. Учёный был поражён этой подводной прогулкой по лесу из водорослей. Немо продемонстрировал чудеса меткости, убив из воздушного ружья альбатроса, парящего над водой. Друзья вернулись на «Наутилус», подстрелив морскую выдру и чудом избежав встречи с акулами.
В последующие недели профессор встречался с Немо очень редко. Каждое утро «Наутилус» всплывал для определения координат, а днём капитан открывал ставни на иллюминаторах. 26 Ноября подводная лодка пересекла тропик Рака, миновала Сандвичевы острова и направилась дальше на юго-восток мимо Гавайев и Маркизских островов. Все эти архипелаги Аронакс видел только издали. Пройдя тропик Козерога, «Наутилус» свернул на запад-северо-запад и миновал остров Таити. К этому времени судно прошло 8100 миль.
Воспользовавшись вынужденной стоянкой, друзья отпросились на берег, где запаслись свежим мясом, по которому так скучал Нед. Их охоту, длившуюся несколько дней, прервала толпа кровожадных туземцев. Друзья вынуждены были скрыться от них на «Наутилусе». Поборов страх, папуасы атаковали подводное судно. Несмотря на спокойствие Немо, друзья собрались воевать с людоедами, но в это время начался прилив, и «Наутилус» восстал со своего кораллового ложа». Судно направилось в Индийский океан.
Немо постоянно занимался научными исследованиями. Рассказывая об изучении плотности морской воды, капитан обмолвился о Средиземном море. Аронакс сделал вывод, что Немо бывает и в густонаселённых местах. 18 января «Наутилус» долго не погружался — Немо словно ждал кого-то посреди пустынного океана. В подзорную трубу Аронакс заметил на горизонте какой-то корабль, но тут капитан выбил трубу у него из рук и потребовал исполнить своё обещание. Друзьям пришлось подчиниться. Чтобы они не увидели ничего лишнего, в их пищу подмешали снотворное.
Проснувшись, профессор встретился с Немо, и тот попросил его оказать медицинскую помощь раненному из команды «Наутилуса». Матросу проломили череп, и Аронакс ничем не мог ему помочь. Несчастного похоронили на дне океана, где капитан Немо устроил маленькое кладбище для своих близких.
Переход через туннель Немо совершил ночью 11 февраля. Свидетелем перехода стал Аронакс, любезно приглашённый в капитанскую рубку, выступающую над корпусом «Наутилуса» и защищённую толстыми хрустальными стёклами. Переход по тоннелю, освещённому мощным прожектором судна, занял несколько минут. Утром, увидев вдали Порт-Саид, Нед снова заговорил о побеге, но профессор не хотел расставаться с «Наутилусом» и возможностью исследовать недоступные уголки океанов. Консель был согласен с Аронаксом, и Нед остался в меньшинстве. Гарпунёр считал, что Немо не отпустит их по доброй воле и взял с профессора обещание бежать при первой же возможности. Нед хотел пробраться под водонепроницаемый кожух шлюпки и всплыть вместе с ней, когда «Наутилус» окажется возле обитаемого берега.
14 Февраля Аронакс заметил, что капитан чего-то ждёт. Наблюдая за морскими обитателями, профессор заметил пловца, который оказался знакомым капитана. Увидев его, тот достал из сейфа золотые слитки, наполнил ими объемный сундук и написал адрес на греческом языке. Могучие матросы вытащили его из салона, и вскоре от «Наутилуса» отчалила шлюпка.
Побегу друзей помешал капитан. Он пригласил Аронакса прогуляться к затопленному испанскому галеону, полному золота. Профессор понял, что у капитана были неисчерпаемые источники богатств. Наутро «Наутилус» оказался далеко от берегов Европы. Вечером 19 февраля Аронакса ожидала новая подводная прогулка. Он долго взбирался вслед за Немо по скалам, в расщелинах которых подкарауливали добычу гигантские крабы, через лес из окаменевших деревьев. За скалами скрывался действующий вулкан, свет которого озарял огромную, когда-то заселённую равнину. Это была Атлантида. Невероятная прогулка Аронакса продолжалась всю ночь.
Утром 21 февраля «Наутилус» вошёл в подводный грот необитаемого острова. Здесь была его секретная гавань. Пещера с небольшим озером, где очутилось судно, образовалась внутри потухшего вулкана. Здесь Немо запасался каменным углём, незаменимым при производстве натрия для электрических батарей. Пока матросы грузили уголь, друзья обследовали пещеру, но наземного выхода из неё не нашли.
Неда Ленда путешествие тяготило. Он надеялся, что дойдя до южного полюса, капитан свернёт обратно в Тихий океан и направится к обитаемым берегам. 14 Марта путешественники увидели первое скопление льдов. 18 Марта, когда «Наутилус» окончательно затёрло льдами, Немо сообщил Аронаксу, что намерен добраться до географического южного полюса, проплыв подо льдами. Профессор с энтузиазмом подхватил эту идею, а скептик Нед пожал плечами и заперся в своей каюте.
Опыт Немо увенчался успехом. 19 Марта «Наутилус» поднялся на поверхность возле небольшого острова, отделённого узким проливом от неизвестного материка. Небо было пасмурным, затем началась снежная буря, и определить координаты Немо смог 21 марта, в последнее мгновение полярного дня. Судно действительно находилось на географическом южном полюсе Земли. Капитан водрузил на острове чёрный флаг с вышитой золотом буквой «N».
31 Марта «Наутилус» миновал мыс Горн и свернул в Атлантический океан. К неудовольствию Неда Ленда судно миновало Бразилию на очень высокой скорости. Шанс бежать снова был потерян. Побег к берегам французской Гвианы пришлось отменить из-за сильного шторма. Друзья были пленниками «Наутилуса» уже полгода, проплыв за это время 17 тысяч лье. Аронакс заметил, что капитан Немо изменился, стал угрюм, нелюдим и большую часть дня скрывался в своей каюте.
Десять дней Немо тосковал по погибшему товарищу. 1 Мая судно вернулось на прежний курс и поплыло на север по Гольфстриму. Нед Ленд заставил Аронакса поговорить с капитаном начистоту. Профессор не хотел, чтобы его научный труд был похоронен под водой, о чём и сказал Немо. В ответ капитан показал учёному маленький нетонущий аппарат, в который будут заключены все труды после смерти Немо. Аппарат выбросят в океан, и когда-нибудь записи профессора попадут к людям. «Кто вошёл в „Наутилус“, тот из него не выйдет» — добавил Немо. Вопрос был исчерпан, и друзья решили бежать, когда судно будет проходить возле Лонг-Айленда. Однако реализовать план им снова помешала буря.
Шторм отбросил судно далеко от берегов, и Нед Ленд совсем отчаялся. Пройдя вдоль подводного плато, на котором покоился трансатлантический телеграфный кабель, «Наутилус» повернул на юг. 1 Июня Немо нашёл место, где затонул мятежный корабль «Мститель» из флота Французской Республики. Почтив память этого борца за свободу, судно Немо поднялось на поверхность и было обстреляно пушками неизвестного бронированного корабля. Нед Ленд пытался подать сигнал о помощи, чем вызвал гнев Немо. Капитан потопил корабль, отомстив врагу, отнявшему у него «отечество, жену, детей, отца и мать», хотя Аронакс и пытался помешать ему губить невинные жизни. Затем Немо упал на колени перед портретом молодой женщины с двумя детьми и горько зарыдал.
Очнулся профессор в хижине рыбака с Лофотенских островов, рядом с друзьями. О «Наутилусе» больше никто не слышал, однако профессор не забыл о путешествии длинною в 20 тысяч лье и опубликовал свои записи.