Le narrateur est Axel Lidenbrock, neveu d’un éminent géologue et naturaliste allemand, le professeur de minéralogie Otto Lidenbrock. L’histoire commence à Hambourg, dans la maison du Pr. Lidenbrock. Le professeur, amateur de vieux livres, a acheté le manuscrit original d'une saga islandaise, Heimskringla, écrite par Snorri Sturluson au XIIe siècle. Il y découvre un parchemin codé, rédigé en caractères runiques.

Axel et son oncle se passionnent pour ce cryptogramme, qu’ils finissent par déchiffrer et par identifier. Il s’agit d’un message d'un certain Arne Saknussemm, un alchimiste du XVIe siècle. Celui-ci affirme avoir découvert un passage vers le centre de la Terre, via le volcan Sneffels en Islande.

Le professeur Otto Lidenbrock est un homme enthousiaste et impétueux. Il décide de partir dès le lendemain pour l’Islande, emmenant avec lui son neveu Axel, beaucoup plus réticent. À Reykjavík, ils engagent un chasseur d’eider. nommé Hans Bjelke, qui sera leur guide. Les trois hommes voyagent jusqu’au pied du volcan Sneffels, et en font l’ascension. Le cratère éteint renferme trois cheminées. L’une d’elles doit être effleurée par l’ombre d’un haut pic, le Scartaris, à midi, « avant les calendes de juillet », c’est-à-dire dans les derniers jours de juin. D’après la note de Saknussemm, là se trouve le passage vers le centre de la Terre…

Comme à l'habitude de Jules Verne, le roman est un habile mélange de données scientifiques, d'extrapolations osées et d'aventure. L'introduction du roman reflète l'engouement d'alors pour une science jeune, la cryptologie (Edgar Poe y sacrifiera aussi dans la nouvelle Le scarabée d'or). La suite enchaîne sur une description de l'Islande de la fin du XIXe, puis sur une vaste introduction à deux autres sciences en plein essor, la paléontologie et la géologie (on notera d'ailleurs les divergences entre les interprétations de l'époque et celles couramment admises aujourd'hui).

Les eiders sont de grands canards migrateurs de la