リンデンブロック教授は、学生アレックから贈られた溶岩の塊の中から、行方不明になったスウェーデンの探検家アルネ・サクヌッセムが「地球の中心」への行程を記したメッセージを発見した。2人はスウェーデンの地質学者ゲタボルグ教授と話し合うべくその地へ向かったが、教授は何者かにより殺害されていた。リンデンブロックらも何者かに襲われたところをアイスランド人ハンスに助けられ、3人とゲタボルグ教授の未亡人カーラは、サクヌッセムの記した行程に従ってアイスランドの休火山の噴火口から地底に降りて行った。途中、これまで妨害を繰り返していたアルネ・サクヌッセムの子孫サクヌッセム伯爵と争いになるが、休戦して共に探検を続けることになった。一行は巨大キノコの森や、地底に広がる大海を越え、ついに「地球の中心」を通過。最後にたどりついたのは、伝説の島アトランティスの都の廃墟であった。