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 трех 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 спасенные 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 еще 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 плывет 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.
Вскоре после этого в низине отряду предстоит пережить наводнение из-за разлива рек. Путникам удается взобраться на раскидистое ореховое дерево, которое бурый поток не смог вырвать из земли. На нем они устраивают привал, даже разводят костер. Ночью ураган все же вырывает дерево, и на нем людям удается выплыть на сушу..
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 Мангле 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.
Там они попадают в плен к туземцам-людоедам, которые собираются их убить. Однако, благодаря находчивости Роберта, им удается 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 плывет на «Дункане» вместе с теми, кого хотел обмануть.
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.