In una libreria antiquaria di Amburgo, nel 1898, il professor Lindenbrook acquista alcuni libri che un anziano male in arnese sta inutilmente cercando di vendere al negoziante. Tra questi trova un libro-diario inedito, scritto da Arne Saknussem, nel quale si narra fino nei più minuti particolari di un suo incredibile viaggio che, partendo da una grotta scoperta nel cratere del vulcano islandese Snaeffeis, lo aveva condotto al centro della Terra! Qualche tempo dopo, Lindenbrook decide di ripetere il viaggio di Saknussem. Raggiunta l'Islanda assieme alla nipote Glauben, al suo fidanzato Axel e alla guida Hans, un montanaro del luogo che ha perduto il suo gregge, si inoltra nel labirinto di grotte e cunicoli. L'avventurosa discesa offre agli occhi degli esploratori incredibili meraviglie ma anche terribili pericoli, superati grazie all'insperato aiuto del misterioso Olsen, un uomo apparso dal nulla che sembra disporre di conoscenze e tecnologie ignote al XIX secolo.
