Kapitän Nemos U-Boot Nautilus rettet ertrinkende Passagiere und bringt sie in eine Unterwasserstadt, Templemer (ausgesprochen Temple-Meer), wo ihnen gesagt wird, dass sie für immer bleiben werden. Zu den Überlebenden gehören die Brüder Barnaby (Bill Fraser) und Swallow Bath (Kenneth Connor), Lomax (Allan Cuthbertson), Helena Beckett (Nanette Newman) und ihr Sohn sowie Senator Robert Fraser (Chuck Connors).
Nemo nimmt sie mit auf eine Stadttauchtour, aber Lomax versucht, Tauchausrüstung zu stehlen und zu entkommen, wird aber erwischt. Fraser scheint von einer musikalischen Darbietung der Schwimmlehrerin der Stadt, Mala (Luciana Paluzzi), angetan zu sein, die von Joab, Nemos Stellvertreter (John Turner), bemerkt wurde.
Joab zeigt den Bath-Brüdern, wie die Stadt Sauerstoff und Süßwasser herstellt und als Nebenprodukt Gold, das sogar weggeworfen wird. Joab teilt ihnen mit, dass noch nie jemand Templemer entkommen ist. Lomax sieht die Sauerstoffmaschine als ein Mittel, um zu entkommen, indem sie die Kuppel der Stadt zerreißt. Lomax versucht dies, schafft es aber nur, den Kontrollraum der Maschine zu überfluten und sich dabei selbst zu töten. Während dieser Episode schleichen sich die Bath-Brüder in die Verbotene Gegend, wo sie ein zweites U-Boot, die Nautilus II, entdecken und es als Fluchtmittel sehen.
Fraser engagiert sie, um ihnen zu helfen, und Fraser lernt, wie man das U-Boot bedient. Während des Trainings rammen und töten sie eine riesige Mantarochen-ähnliche Kreatur, die versehentlich während des Baus der Stadt geschaffen wurde. Fraser sagt Nemo, er solle gehen, da er versucht, die Waffenlieferungen für den amerikanischen Bürgerkrieg zu unterbrechen. Nemo lehnt ab, bietet Fraser aber eine Stelle bei Templemer an. Dies entfremdet Joab, der Fraser und den Baths hilft, Nautilus II zu stehlen, unter der Bedingung, dass sie ohne Blutvergießen gehen und der Besatzung erlauben, mit dem U-Boot intakt zurückzukehren.
Sie schaffen es, das U-Boot zu nehmen und werden von Nemo in seinem U-Boot verfolgt. Nemo erklärt, dass es einen Fehler mit den Motoren der Nautilus II gibt, der bedeutet, dass das U-Boot explodieren könnte. Die Verfolgungsjagd ist kurz. Nemo ist nicht in der Lage, mit der Geschwindigkeit des entkommenden U-Bootes mitzuhalten, und lässt Nautilus I ausrutschen, um zu versuchen, "unter das Riff zu gehen". Verwirrt von ihren Verfolgern, die anscheinend aufgeben, fragt Fraser den Ersten Offizier der Nautilus II., ob es "einen kürzeren Weg" gibt, und ihm wird gesagt: "Ja, das gibt es", aber "dieses Schiff ist zu groß!"
Ein nun verzweifelter Fraser gibt Befehle für "Crash-Geschwindigkeit". Wenn das U-Boot zunimmt, um eine Explosion zu flankieren, versagen die Motoren, und außer Kontrolle geraten das Schiff trifft auf ein Riff, bevor es noch unter Wasser zum Stillstand kommt. Die Besatzung mit Fraser und den Baths zieht Tauchausrüstung an und versucht, aus dem nun überfluteten U-Boot zu entkommen, aber Barnaby gerät in Panik (belastet durch zu viel gestohlenes Goldnebenprodukt) und ertrinkt bei dem Versuch.
Nautilus I. nähert sich dem Wrack gerade noch rechtzeitig, um heftig gepeitscht zu werden, während das größere Schiff explodiert. Joab erleidet einen Stromschlag, als er gegen ein Bedienfeld geschleudert wird. Tödlich verwundet gesteht er Nemo, dass er Fraser zur Flucht verholfen hat. Helena Beckett gibt zu, dass sie von dem Versuch wusste und dass sie und ihr Sohn sich entschieden haben, zu bleiben. Mala liest Nemo einen Brief vor, den Fraser hinterlassen hat, in dem er Nemo dafür dankt, dass er ihm einen Platz in der Zukunft der Stadt angeboten hat, den er aber nicht akzeptieren kann, da er an seine Mission und den "langsameren, schmerzhafteren Prozess" in Richtung Frieden glaubt.
Der Film endet, als Nautilus sich Templemer zuwendet. An der Oberfläche ist ein kleiner Schoner zu sehen, der zwei Männer mitten im Ozean aufnimmt, weit weg von Land oder irgendwelchen Anzeichen von Trümmern. Fraser und Swallow Bath, die in Decken gehüllt sind, werden an Bord willkommen geheißen, und als sich der Schoner darauf vorbereitet, in See zu stechen, findet Fraser, dass sein Begleiter eine goldene Schöpfkelle unter seinem Mantel versteckt hat. Die beiden tauschen ein reumütiges Lächeln aus, und Fraser wirft es leicht ins Meer.