Ένα μυστηριώδες θαλάσσιο τέρας περιπλανιέται στους ωκεανούς το έτος 1866. Θορυβημένη η αμερικανική κυβέρνηση, οργανώνει ειδική αποστολή εντοπισμού και εξόντωσης του τέρατος με αρχηγό έναν Γάλλο θαλάσσιο βιολόγο. Όταν η αποστολή συναντάει το κήτος ανοιχτά της Ιαπωνίας, η καταδίωξή του καταλήγει σε πανωλεθρία. Τότε είναι που τα εναπομείναντα μέλη της αποστολής συνειδητοποιούν ότι δεν πρόκειται για τέρας, αλλά για υποβρύχιο. Ένας θαυμαστός υποθαλάσσιος κόσμος ανοίγεται μπροστά στα μάτια τους, ενώ η εμφάνιση του κάπτεν Νέμο, του κυβερνήτη του «Ναυτίλου» (όπως ονομάζεται το υποβρύχιο), θα φέρει νέα δεδομένα στη ζωή των μελών της αποστολής αλλά και στο πώς βλέπουν τον κόσμο γύρω τους.
Οι 20.000 λεύγες θεωρούνται από τις πιο συναρπαστικές μυθοπλαστικές περιπέτειες και από τα σπουδαιότερα μυθιστορήματα που γράφτηκαν ποτέ. Λέγεται πως αυτό το βιβλίο μαζί με το Από τη Γη στη Σελήνη έκαναν τον μεγάλο Αμερικανό αστρονόμο Έντουιν Χαμπλ να εγκαταλείψει τη νομική και να ασχοληθεί με την αστρονομία και την κοσμολογία.

Πέρα από τη λογοτεχνική αξία του, το βιβλίο έχει ξεχωρίσει για τα τεχνολογικά, επιστημονικά, πραγματολογικά στοιχεία του, που είναι μπροστά από την εποχή τους, για τους πολιτικούς υπαινιγμούς εκ μέρους του συγγραφέα (έχει λεχθεί πως ασκεί κριτική στην αποικιοκρατία σε πολύ πρώιμο στάδιο), όπως επίσης για μια υπόγεια οικολογική ανησυχία που φαίνεται να εκφράζει ο Βερν μέσα από το πρόσωπο του Νέμο.