Die Geschichte beginnt im Mai 1863 im Haus von Professor Otto Lidenbrock in Hamburg, Deutschland. Beim Durchblättern eines originalen Runenmanuskripts einer isländischen Sage finden Lidenbrock und sein Neffe Axel eine verschlüsselte Notiz, die in Runenschrift geschrieben ist und den Namen eines isländischen Alchemisten aus dem 16. Ins Englische übersetzt lautet der Zettel: Steige hinab in den Krater des Snaefells Jökull, den der Schatten des Skartaris kurz vor den Juli-Wochenenden streichelt, oh kühner Reisender, und du wirst es bis zum Mittelpunkt der Erde schaffen. Ich habe es geschafft. Arne Saknussemm Snæfellsjökull. Lidenbrock bricht sofort nach Island auf und nimmt den widerstrebenden Axel mit. Nach einer rasanten Fahrt über Kiel und Kopenhagen kommen sie in Reykjavík an. Dort heuern sie den Isländer Hans Bjelke, einen dänisch sprechenden Eiderentenjäger, als Führer an und reisen über Land zum Fuß des Snæfellsjökull. Ende Juni erreichen sie den Vulkan und machen sich auf den Weg ins Innere der Erde, wo sie auf viele Gefahren und seltsame Phänomene stoßen. Nach einer falschen Abzweigung geht ihnen das Wasser aus, und Axel kommt fast um, aber Hans rettet sie alle, indem er einen unterirdischen Fluss anzapft, aus dem ein Wasserstrom fließt, den Lidenbrock und Axel zu Ehren des Führers "Hansbach" nennen. Édouard Rious Illustration eines Ichthyosaurus, der gegen einen Plesiosaurus kämpft. Dem Lauf des Hansbachs folgend, steigen die Entdecker viele Meilen hinab und erreichen eine unterirdische Welt mit einem Ozean und einer riesigen Wolkendecke sowie einer ständig leuchtenden Aurora. Die Reisenden bauen ein Floß aus halbversteinertem Holz und stechen in See. Auf dem Meer begegnen sie prähistorischen Fischen wie den Pterichthyoden oder Pterichthys und riesigen Meeresreptilien aus der Zeit der Dinosaurier, nämlich einem Ichthyosaurus und einem Plesiosaurus. Ein Gewitter droht das Floß und seine Passagiere zu zerstören, doch stattdessen werden sie auf einen riesigen Fossilienfriedhof geschleudert, auf dem sich Knochen von Pterodactylus, Megatherium und Mastodon sowie der konservierte Körper eines Menschen befinden. Lidenbrock und Axel wagen sich in einen Wald mit primitiver Vegetation aus dem Tertiär. In den Tiefen des Waldes finden sie zu ihrem Erstaunen einen prähistorischen Humanoiden, der über drei Meter groß ist und über eine Herde Mastodonten wacht. Da sie befürchten, dass er feindlich gesinnt sein könnte, verlassen sie den Wald. Bei der weiteren Erkundung der Küste finden die Reisenden einen von Saknussemm markierten Durchgang, der jedoch durch einen kürzlichen Einsturz versperrt ist. Die Abenteurer schmieden den Plan, den Felsen mit Schießbaumwolle zu sprengen und mit ihrem Floß aufs Meer hinauszupaddeln, um der Explosion zu entgehen. Bei der Ausführung dieses Plans öffnet sich eine bodenlose Grube jenseits des blockierten Felsens, in die sie hineingespült werden, während das Meer den riesigen offenen Spalt hinunterstürzt. Nachdem sie stundenlang mit halsbrecherischer Geschwindigkeit abwärts gefahren sind, kehrt ihr Floß die Richtung um und steigt in einen vulkanischen Schornstein, der sie schließlich ins Freie spuckt. Als sie das Bewusstsein wiedererlangen, erfahren sie, dass sie von Stromboli, einer Vulkaninsel vor Sizilien, ausgeworfen worden sind. Das Trio kehrt nach Deutschland zurück, wo sie große Anerkennung finden: Professor Lidenbrock wird als einer der größten Wissenschaftler seiner Zeit gefeiert, Axel heiratet seine Geliebte Gräuben, und Hans kehrt zu seinem friedlichen Leben als Eiderentenjäger in Island zurück ...