O Professor Oliver Lindenbrook (James Mason), um renomado geólogo da Universidade de Edinburgh, recebeu um pedaço de rocha vulcânica de um estudante, admirador seu, o jovem Axel McEwen (Pat Boone). Este material chamou muito a atenção do professor que imediatamente submeteu o objeto a testes e descobriu que nele havia misteriosamente umas marcas feitas pela mão humana. No seu laboratório, o professor ao tentar derreter o pedaço de rocha, e para a surpresa de todos que estavam assistindo ao experimento, foi revelado que dentro do material havia um prumo de metal com inscrições reveladoras. Tratava-se dos últimos registros do cientista Arne Saknussem, desaperecido há muito tempo.
Tais inscrições mostravam um caminho através do centro da Terra que conduziam ao continente perdido de Atlântida. O professor Lindenbrook creu que através desse relato, Saknussem teria sido o primeiro ser humano a realizar tal façanha, chegando a um lugar onde nenhum outro humano jamais esteve.
Lindenbrook envia o que descobriu a um outro pesquisador, o Professor Göteborg de Estocolmo (Ivan Triesault). Mas, para a surpresa de Lindenbrook, Göteborg desaparece com os dados enviados a ele e inicia, por conta própria, uma expedição à Islândia, para onde apontavam as coordenadas deixadas por Saknussem.
Lindenbrook, furioso com a atitude de Göteborg, parte com o seu aluno, Axel, para a Islândia também. Ao chegarem lá são interceptados por um ajudante de Göteborg, que os aprisiona em um celeiro longe da capital Reykjavik. Nesse lugar, encontram um camponês chamado Hans Belker (Peter Ronson) e sua simpática pata de estimação, chamada Gertrude. Hans liberta os dois e passa a ser o seu guia até a capital, bem como um grande colaborador. É um homem alto e muito forte.
Ao chegarem a Reykjavik tomam conhecimento da morte do Professor Göteborg. Ele havia sido assassinado. Em seguida, surge a esposa do falecido Professor, Carla Göteborg (Arlene Dahl). Em um primeiro momento ela se desentende com o Professor Lindenbrook ao revelar-lhe o golpe traiçoeiro que Göteborg aplicou. No entanto, ao ler o diário de seu esposo, a viúva percebe o erro que ele cometeu e oferece uma proposta a Lidenbrock: todos os apetrechos que Göteborg havia adquirido para realizar sua jornada seriam doados ao Professor se este a levasse consigo na ousada expedição.
Relutante, Lindenbrook aceita que a viúva parta com eles, pois, dentre outras coisas, ela era a única pessoa que poderia compreender bem o que falava o gigantesco e útil Hans (que apenas se comunicava em islandês).
Assim, a expedição parte ao centro da Terra com o número de quatro destemidos: Lindenbrock, Axel, Hans, a viúva Carla Göteborg e a pata Gertrude.
À medida que imergem nos interiores da Terra, os problemas também vão aumentando. Lá surge a ameaça do Conde Saknussem (Thayer David), um nobre da região que é descendente direto do explorador Arne Saknussem. Sua intenção é a de tomar posse da descoberta de seu antepassado e ficar com os créditos, pois acha que isso lhe é um direito legítimo.
A jornada acarreta perigos diversos: altas temperaturas, falta de oxigênio, regiões cujo solo é composto apenas de sal, seres gigantescos e altamente perigosos, provavelmente remanescentes de um período pré-histórico. No entanto, há também muitas maravilhas, como fontes de água pura, cristais reluzentes e multicoloridos, cogumelos comestíveis gigantes e até mesmo um mar interno, com direito a redemoinho e tempestade
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