26 июня 1864 г. экипаж яхты «Дункан», принадлежащей лорду Эдуарду Гленарвану, виднейшему члену Королевского яхт-клуба Темзы и богатому шотландскому землевладельцу, вылавливает в Ирландском море акулу, в животе которой находит бутылку с запиской на трёх языках: английском, немецком и французском. В записке кратко сообщается, что во время крушения «Британии» спаслось трое — капитан Грант и два матроса, что они попали на какую-то землю; указывается и широта и долгота, но невозможно разобрать, какая это долгота — цифру размыло. В записке говорится, что спасённые находятся на тридцать седьмом градусе одиннадцатой минуте южной широты. Долгота неизвестна. Поэтому разыскивать капитана Гранта и его спутников надо где-то на тридцать седьмой параллели. Английское адмиралтейство отказывается снарядить спасательную экспедицию, но лорд Гленарван и его жена решают сделать все возможное, чтобы отыскать капитана Гранта. Они знакомятся с детьми Гарри Гранта — шестнадцатилетней Мэри и двенадцатилетним Робертом. Яхту снаряжают в дальнее плавание, в котором желают принять участие жена лорда — Элен Гленарван, очень добрая и мужественная молодая женщина, и дети капитана Гранта. В экспедиции также участвуют майор Мак-Наббс, человек лет пятидесяти, скромный, молчаливый и добродушный, близкий родственник Гленарвана; тридцатилетний капитан «Дункана» Джон Манглс, двоюродный брат Гленарвана, человек мужественный, добрый и энергичный; помощник капитана Том Остин, старый моряк, заслуживающий полного доверия, и двадцать три человека судовой команды, все шотландцы, как и их хозяин.

25 августа «Дункан» выходит в море из Глазго. На следующий день выясняется, что на борту находится ещё один пассажир. Им оказывается секретарь Парижского географического общества француз Жак Паганель. По свойственной ему рассеянности он за день до отплытия «Дункана», перепутав корабли (ибо хотел плыть в Индию на пароходе «Шотландия»), забрался в каюту и проспал там ровно тридцать шесть часов, чтобы лучше перенести качку, и не выходил на палубу до второго дня путешествия. Когда Паганель узнает, что он плывёт в Южную Америку вместо Индии, сначала его охватывает отчаяние, но затем, узнав о цели экспедиции, он решает внести изменения в свои планы и плыть вместе со всеми.

Переплыв Атлантический океан и пройдя через Магелланов пролив, «Дункан» оказывается в Тихом океане и направляется к берегам Патагонии, где, по некоторым предположениям — сначала именно так истолковали записку, — капитан Грант томится в плену у индейцев.

Пассажиры «Дункана» — лорд Гленарван, майор Мак-Наббс, Паганель, Роберт и трое матросов — высаживаются на западном побережье Патагонии, а Элен Гленарван и Мэри под опекой Джона Манглса остаются на паруснике, который должен обогнуть континент и ждать путешественников на восточном побережье, у мыса Корриентес.

Гленарван и его спутники проходят через всю Патагонию, следуя по тридцать седьмой параллели. В этом путешествии с ними происходят невероятные приключения. Во время землетрясения в Чили пропадает Роберт. Несколько дней поисков оканчиваются плачевно — ребёнка нигде не могут найти. Когда маленький отряд, утратив всякую надежду его отыскать, уже собирается двинуться в путь, путники вдруг видят кондора, который в своих мощных лапах несёт Роберта и начинает взмывать вместе с ним в поднебесье. Мак-Наббс уже хочет выстрелить в птицу, когда внезапно его опережает чей-то другой меткий выстрел. Раненая птица, словно парашют, на своих могучих крыльях спускает Роберта на землю. Выясняется, что этот выстрел произвёл туземец по имени Талькав. Он становится их проводником по равнинам Аргентины, а в дальнейшем и настоящим другом.

В пампасах путникам грозит гибель от жажды. Талькав, Гленарван и Роберт, чьи лошади ещё не очень утомлены, отправляются на поиски воды и опережают остальных. У реки ночью на них нападает стая красных волков. Троим путешественникам грозит неминуемая гибель. Тогда Роберт вскакивает на быстроногую Тауку, лошадь Талькава, и, рискуя быть растерзанным волками, увлекает стаю от Гленарвана и Талькава. Ему удаётся избежать гибели. Он присоединяется к группе Паганеля и утром вновь встречается со спасёнными им Гленарваном и Талькавом.

Вскоре после этого в низине отряду предстоит пережить наводнение из-за разлива рек. Путникам удаётся взобраться на раскидистое ореховое дерево, которое бурый поток не смог вырвать из земли. На нем они устраивают привал, даже разводят костёр. Ночью ураган все же вырывает дерево, и на нем людям удаётся выплыть на сушу.

Паганелю приходит в голову мысль, что первоначально записка капитана Гранта была истолкована неверно и что речь в ней идёт не о Патагонии, а об Австралии. Он весьма доказательно убеждает остальных в правильности своего вывода, и путешественники принимают решение вернуться на корабль, чтобы продолжить плавание до берегов Австралии. Так они и поступают.

Они обследуют, но тщетно, два острова, лежащих по пути, — Тристан-да-Кунья и Амстердам. Затем «Дункан» приближается к мысу Бернулли, расположенному на австралийском побережье. Гленарван высаживается на сушу. В нескольких милях от берега стоит ферма некоего ирландца, который радушно принимает путешественников. Лорд Гленарван рассказывает ирландцу о том, что привело его в эти края, и спрашивает, нет ли у него сведений об английском трёхмачтовом судне «Британия», потерпевшем крушение около двух лет назад где-то у западных берегов Австралии.

Ирландцу никогда не приходилось слышать о потонувшем корабле, но, к великому удивлению всех присутствующих, в разговор вмешивается один из его работников, по фамилии Айртон. Он заявляет, что если капитан Грант ещё жив, то находится на австралийской земле. Его документы и рассказ удостоверяют, что он служил боцманом на «Британии». Айртон говорит, что потерял капитана из виду в тот момент, когда корабль разбился о прибрежные рифы. До сих пор он был убеждён, что из всей команды «Британии» уцелел лишь он один. Правда, Айртон уверяет, что корабль разбился не у западных, а у восточных берегов Австралии, и если капитан Грант ещё жив, о чем свидетельствует записка, то находится в плену у туземцев где-нибудь на восточном побережье.

Айртон говорит с подкупающей искренностью. В его словах трудно сомневаться. К тому же за него ручается ирландец, у которого он служил. Лорд Гленарван верит Айртону и по его совету принимает решение пересечь Австралию по тридцать седьмой параллели. Гленарван, его жена, дети капитана Гранта, майор, географ, капитан Манглс и несколько матросов, собравшись в небольшой отряд, отправляются в путь во главе с Айртоном. «Дункан» же, получивший некоторые повреждения в корпусе, берет курс на Мельбурн, где планируется проведение его ремонта. Команда яхты во главе с помощником капитана Томом Остином там должна ожидать распоряжений Гленарвана.

Женщины выезжают в повозке, запряжённой шестью быками, а мужчины — верхом на лошадях. Во время поездки путешественники проезжают мимо золотоносных приисков, любуются австралийскими флорой и фауной, Поначалу путешествие проходит в довольно комфортабельных условиях, по населённой местности. Однако у одной из лошадей ломается подкова. Айртон идёт за кузнецом, и тот ставит новые подковы с трилистником — знаком скотоводческой стоянки Блэк-Пойнт. Вскоре небольшой отряд уже продолжает свой путь. Путешественники становятся свидетелями результатов преступления, совершенного на Кемденском мосту. Все вагоны, кроме последнего, рухнули в реку из-за того, что не были сведены рельсы. Последний вагон ограблен, повсюду валяются обгоревшие изуродованные трупы. Полиция склонна полагать, что это преступление — дело рук банды беглых каторжников под предводительством Бена Джойса.

Вскоре Айртон заводит отряд в лес. Путешественники вынуждены на неопределённое время остановиться, поскольку перед ними — бурная разлившаяся река, которую можно будет перейти вброд только тогда, когда она вернётся в нормальное русло. Тем временем из-за непонятной болезни гибнут все быки и лошади, за исключением той, что была подкована трилистником. Однажды вечером майор Мак-Наббс видит в тени деревьев каких-то людей. Не говоря никому ни слова, он отправляется на разведку. Оказывается, что это каторжники; он подкрадывается к ним и подслушивает их разговор, из которого становится очевидным, что Бен Джойс и Айртон — это одно лицо, а его банда во время всего путешествия отряда Гленарвана по материку держалась от него поблизости, ориентируясь на след лошади с подковой Блэк-Пойнта. Вернувшись к своим друзьям, майор до поры до времени не говорит им о своём открытии. Айртон уговаривает лорда Гленарвана приказать «Дункану» из Мельбурна отправиться на восточное побережье — там бандиты легко завладели бы яхтой. Предателю уже почти вручают приказ на имя помощника капитана, но тут майор его разоблачает и Айртону приходится бежать. Перед тем как скрыться, он ранит Гленарвана в руку. Через некоторое время путники принимают решение послать в Мельбурн другого гонца. Вместо раненого Гленарвана приказ пишет Паганель. Один из матросов отправляется в путь. Однако Бен Джойс тяжело ранит матроса, отнимает у него письмо и сам едет в Мельбурн. Его банда переходит реку по мосту, оказавшемуся неподалёку, а затем сжигает его, чтобы Гленарван не смог им воспользоваться. Отряд ждёт, когда понизится уровень реки, затем сооружает плот и на плоту переправляется через успокоившуюся реку. Добравшись до побережья, Гленарван понимает, что банда Бена Джойса уже завладела «Дунканом» и, перебив команду, отправилась на нем в неизвестном направлении. Все приходят к выводу, что необходимо поиски прекратить, ибо совершать их уже не на чем, и вернуться в Европу. Однако выясняется, что корабля, отправляющегося в Европу, возможно, придётся ждать очень долго. Тогда путешественники решают доплыть до Окленда, что в Новой Зеландии: оттуда рейсы в Европу регулярны. На утлом судёнышке с вечно пьяными капитаном и матросами, пережив бурю, во время которой судно садится на мель, Гленарван с друзьями все же достигает берегов Новой Зеландии.

Там они попадают в плен к туземцам-людоедам, которые собираются их убить. Однако, благодаря находчивости Роберта, им удаётся бежать из плена. Через несколько дней пути они доходят до восточного побережья Новой Зеландии и у берега видят пирогу, а чуть дальше — группу туземцев. Путники садятся в пирогу, однако туземцы в нескольких лодках их преследуют. Путешественники в отчаянии. После того, что им пришлось пережить в плену, они предпочитают умереть, но не сдаться. Вдруг вдали Гленарван видит «Дункан» с собственной командой на борту, которая помогает ему оторваться от преследователей. Путешественники недоумевают, почему «Дункан» стоит у восточных берегов Новой Зеландии. Том Остин показывает приказ, написанный рукой рассеянного Паганеля, который вместо того, чтобы написать «Австралия», написал «Новая Зеландия». Из-за ошибки Паганеля планы Айртона рухнули. Он вздумал бунтовать. Его заперли. Теперь Айртон помимо своей воли плывёт на «Дункане» вместе с теми, кого хотел обмануть.

Гленарван пытается убедить Айртона дать истинные сведения о гибели «Британии». Многократные просьбы и упорство леди Гленарван делают своё дело. Айртон согласен рассказать все, что знает, а в обмен на это просит, чтобы его высадили на каком-нибудь необитаемом острове в Тихом океане. Гленарван принимает его предложение. Выясняется, что Айртон покинул «Британию» ещё до крушения. Он был высажен Гарри Грантом в Австралии за попытку организации мятежа. История Айртона не проливает света на местонахождение капитана Гранта. Однако Гленарван держит своё слово. «Дункан» плывёт все дальше, и вот вдали показывается остров Табор. На нем и решено оставить Айртона. Однако на этом клочке суши, лежащем на тридцать седьмой параллели, происходит чудо: оказывается, что именно здесь нашли приют капитан Грант и двое его матросов. Вместо них на острове остаётся Айртон, чтобы иметь возможность раскаяться и искупить свои преступления. Гленарван обещает, что когда-нибудь за ним вернётся.

А «Дункан» благополучно возвращается в Шотландию. Мэри Грант вскоре обручается с Джоном Манглсом, с которым за время их совместного путешествия её связало нежное чувство. Паганель женится на двоюродной сестре майора. Роберт же, как и его отец, становится бравым моряком.