小说故事发生于1864年7月26日，格里那凡爵士一行人驾驶邓肯号游船在海上航行，他们在一只鲨鱼的肚子里发现了一份被海水侵蚀的残缺的文件。经过分析，这是1862年为英格兰人寻找新移民地的大不列颠号失事后，船长格兰特发出的求救文件。因英国政府拒绝派遣船员去寻找，爵士决定偕同妻子海伦、表兄麦克纳布斯少校、船长约翰、格兰特船长的女儿玛丽和儿子罗伯尔以及船员们，驾驶邓肯号去搜寻格兰特船长。巴黎地理学会秘书雅克因为粗心搭错了船，成了船上的新成员。
邓肯号经过大西洋、马德加群岛、加那利群岛、佛得角、麦哲伦海峡、不伦瑞克半岛、波拉尔角、塔尔卡那诺港，没有发现大不列颠号的踪迹。雅克提醒大家，文件有可能是从美洲大陆某条河流投下的。于是，爵士、少校、雅克、罗伯尔和三个水手开始了横穿美洲大陆的探险。这次探险，他们经历了火山喷发、地震、干渴、暴雨、洪水、雷火、被狼群攻击、鳄鱼包围等。
后来雅克提出大不列颠号应该是在澳大利亚，根据这一想法，邓肯号从大西洋出发，到达百奴衣角。在百奴衣角一个庄园主家里，他们遇见了大不列颠号的水手长艾尔通，此人声称格兰特船长应该是在澳大利亚大陆。于是，一行人再次兵分两路，爵士、少校、地理学家、船长、海伦夫人、玛丽和两个水手横穿澳大利亚大陆，邓肯号则在墨尔本海域接应。
后来爵士等人发现艾尔通其实是土匪头子，他撒了谎，格兰特船长不在澳大利亚大陆，且艾尔通打算抢劫邓肯号去做海盗。而地理学家雅克在替爵士给邓肯号大副写信时，把“澳大利亚”写成了“新西兰”，拿着信打算抢劫邓肯号的艾尔通成了俘虏。爵士等人摆脱了土匪的威胁后，决定搭一艘货船到墨尔本，然后回欧洲。货船在中途遇风搁浅，大家做了一个木筏，漂流到了新西兰岛，落入野蛮的毛利人手中，险些被杀死。爵士等人逃脱后，和邓肯号重逢。
因为没有找到格兰特船长，大家失望地返回欧洲。途中，把艾尔通流放到一个无人小岛玛丽亚泰勒萨上，结果，却在岛上意外地发现了格兰特船长。最后明白该岛的法语名是“达抱岛”，求救文件中的这个单词被海水腐蚀了。
最终，所有人员都成功返回苏格兰，约翰·孟格尔和玛丽·格兰特在古老的圣孟哥教堂里结婚；麦克那布斯少校的表妹阿若贝拉小姐爱上了雅克·巴加内尔，两人举行了婚礼；格兰特船长重回祖国后，全苏格兰人都庆祝他，他的儿子罗伯尔后来和他一样做了海员，并且在哥利纳帆爵士的支持下，为实现在太平洋建立一个苏格兰移民区的计划而努力。