L'histoire se déroule en 1889. Elle commence à Paris, sur les lieux de l'Exposition Universelle, où Jean Rocq de Baltique, un adolescent de 14 ans, petit génie en mécanique, est intrigué par une jeune fille, Nadia, et son petit lionceau Attila. Nadia travaille dans un cirque depuis qu'elle y a été abandonnée encore bébé. Le seul lien qui lui reste de sa famille est une pierre bleue qu'elle porte à son cou. Cependant, un groupe de voleurs de diamants - Gladys, Caïus et Titus -, attiré par des affiches cherchant une jeune fille et sa pierre bleue, s'en prennent à Nadia et à Attila. Jean empêche Gladys de récupérer la pierre bleue et, emportant Nadia, s'enfuit avec son avion au Havre. Là, les deux adolescents se voient obliger de fuir par bateau, puis encore avion, Gladys et ses acolytes. Cependant, l'avion lâche et les laisse à la dérive sur l'océan. Ils sont récupérés par un vaisseau de guerre, l'Abraham Lincoln, chassant les monstres marins. Le vaisseau est endommagé par l'un d'eux, et les deux adolescents, à la mer, sont recueillis par le Nautilus (le fameux monstre marin) grâce au commandant en second, Mlle Électra. Peu après, il s'avère que l'équipage du Nautilus combat une organisation terroriste Néo-Atlan.

Les deux adolescents sont relâchés sur une île qui s'avère être en fait une base de Néo-Atlan. Les habitants de l'île ont été asservis, les résistants écrasés. Protégeant une orpheline, Marie, celle-ci et Attila sont capturés. La tentative de Jean et Nadia de délivrer leurs amis échoue : Nadia est capturée, elle aussi, mais ayant donné la pierre bleue à Jean. Ainsi on apprend que cette organisation veut soumettre le monde à l'aide de la technologie avancée de l'Atlantide. Le chef de Néo-Atlan, Argon, cherche la pierre bleue pour renforcer son pouvoir, et exerce sur Nadia un chantage odieux pour que Jean se rende. Ce dernier tombe sur Gladys et CO. Ils s'unissent pour délivrer les amis de Jean. Alors que le situation semble désespérée, le capitaine Nemo et le Nautilus sauve d'une mort certaine cette équipée. Argon réussit à s'enfuir, détruisant sa base derrière lui. Jean, Nadia, Marie, Attila, Gladys, Caïus et Titus sont recueillis à bord du Nautilus. Il semble donc que la pierre bleue, Argon et Nemo sont étroitement liés, sentiment renforcé par la détention d'une grosse pierre bleue par Nemo, et d'un métal réagissant à la pierre bleue par Argon.

A bord, les relations entre Nadia et Jean passent par des hauts et des bas, tandis que Gladys est désespérément amoureuse de Nemo. Nadia fait des cauchemars sur sa mère, et est à couteaux tirés avec Nemo qui l'ignore. Ses relations avec Jean, qui vénère Nemo, s'enveniment. Et Gladys, n'intéressant pas Nemo, insiste lourdement sur les sentiments possibles que peuvent éprouvés l'un et l'autre. Jean reconnaît qu'il aime Nadia et, se souvenant du souhait de Nadia d'aller en Afrique, tente de construire, au grand plaisir de Nadia, divers engins motorisés pour quitter le Nautilus et suivre Nadia. Mais c'est alors qu'Argon attaque et coule le Nautilus au large des côtes africaines, avec en prime la trahison d'Électra.

L'équipage et les adolescents se perdant de vue, Nadia réalise petit à petit qu'elle est amoureuse de Jean. Jean, Nadia, Marie retrouvent Gladys, Caïus et Titus sur une île déserte, ainsi qu'Ayrton, un membre d'équipage de l'Abraham Lincoln. Parallèlement, on comprend par Électra que l'Atlantide avait survécu à l'holocauste qui la submergea des milliers d'années plus tôt, que Nemo est le chef légitime des vestiges de l'Atlantide détruite des années plus tôt par son meilleur ami, Argon. 
Dans sa fuite, il avait sauvé une fillette, Électra, et emporté le catalyseur du pouvoir des Atlantes, une pierre bleue, ainsi que son garçon de 6 ans et sa petite fille de 1 an. Abandonnant ses enfants avec une partie de la pierre chacun, il avait réussi à réunir assez de technologies pour construire un puissant sous-marin, le Nautilus, afin de pourchasser Argon par delà les mers, Électra devenant son second. Absoute, elle révèle son amour pour Nemo, qui s'avère donc être le père de Nadia.

Tout le groupe poursuit leur voyage et atteignent l'Afrique, mais est néanmoins capturé par Argon qui reconstruit l'Atlantide, avec comme chef officiel, car obéissant fidèlement à Argon, Néo, le frère de Nadia - le fils de Nemo -, le prince légitime du royaume. La Pierre Bleue s'avère être en fait une source d'énergie que seuls les Atlantes, peuple extra-terrestre, puissent manipulés. Nadia, qui est mise au courant pour son père et son frère, oublie ses souvenirs par un lavage de cerveau et obéi à Argon, le seul maître. S'ensuit alors la confrontation finale entre Nemo et son nouveau sous-marin, uni avec Jean, Gladys et CO, contre la nouvelle Atlantide. Sur le point de gagner, Argon perd son contrôle sur Néo qu'il tue, puis sur Nadia, qui se rappelle de Jean et de son amour pour lui. Argon tue alors Jean, blesse grièvement Nemo, et s'approprie sa pierre bleue. Agonisant, Nemo lui révèle qu'il n'est pas Atlante mais humain et qu'il ne peut pas par conséquent utiliser la Pierre Bleue, mais en vain... Argon meurt. Nemo déclenche alors une succession d'explosions qui détruisent peu à peu le vaisseau amiral d'Argon, et permet au Nautilus de s'echapper. Nadia utilise alors sa Pierre Bleue pour ressuciter Jean, faisant perdre du coup tous les pouvoirs du bijou. Jean persuade Nadia que l'important pour lui est d'être avec elle, qu'elle soit Atlante descendante d'extraterrestres ou non, pauvre ou riche, puisqu'ils vivent sur la mêe planète, et celle-ci se jette alors dans ses bras.

1902 : Marie termine le récit en narrant le devenir des protagonistes, tous installés. Titus a bâti une entreprise d'engins motorisés et aspire à trouver une femme, Gladys est devenu une gente dame, Ayrton a recouvré son titre de lord, et Électra élève l'enfant qu'elle a eu de Nemo. Jean et Nadia se sont finalement mariés et vivent au Havre, et bien que la cuisine de celle-ci soit parfois "particulière", ils ont un enfant né un an plus tôt. Quant à Marie, elle attend un bébé de Caïus avec qui elle est mariée.