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德国矿物学教授黎登布洛克买了一本书。他的侄子阿克赛对书中夹着的羊皮纸文字内容很感兴趣，废寝忘食地研究起来，终于悟出这是16世纪冰岛炼金术士阿恩·萨克奴姗地心之行的简要记录。
意外的发现使黎登布洛克教授决心去地心一游。于是，他和助手侄子阿克赛出发去冰岛，在冰岛向导汉恩斯的帮助下，他们备足粮食，带上探险仪器和防卫武器，奔赴地心入口——斯奈弗火山口。
斯奈弗火山口呈倒圆锥形。他们滑到底部，在熔岩西面的木板上，发现了阿恩·萨克奴姗的签名，但无法确定三个洞口中哪一个能通往地心。
他们在洞口等了三天，盼来了云开日出。根据羊皮纸上的文字指点，他们认定正午时分阳光所照的那个洞口为地心入口处，便走了下去。
穿过狭长的坑道，根据地温变化的情况，他们断定已经到了海平面以下3000多米的地方。阿克赛捡到一块类似土鳖的兽皮，教授认定这是古代节肢动物中一种已经灭绝了的甲壳动物的皮。他们看了一下四周，发现到处都是发育较为齐全的动物的遗骸，有硬鳞鱼，也有古爬虫蜥蜴。渐渐地，大理石、片麻岩、石灰石和沙石被一种暗淡无光的物质所代替，这里还有煤矿！教授解释说，这里原来的植物先变成泥炭，又变成矿物。其实，这些原始坑道就是一座埋藏着无穷宝藏的迷宫，这里还有发光的金属层——铜、白金或黄金。
这时，他们听到了隐隐的流水声。向导汉恩斯挥镐开凿岩壁，裂口竟喷出含铁的沸水，他们称它为“汉恩斯小溪”。
汉恩斯小溪把三个旅行者冲散了。阿克赛惊恐地呼喊。他把耳朵贴在岩壁上，听到了教授的回应。这奇怪的传声现象是由地道的形状和岩石的传导率决定的。
经过一番曲折，三个旅行者又重逢了。他们面前忽然出现了一片“海”。岩壁的脚延伸入“海”，形成了“岬”和“海角”。“海角”的一边是蘑菇森林，他们在那里找到了乳齿象的下颚骨。教授说，由于沉积地层代替了灼热的岩浆，这就为四足动物的出现提供了条件。
为了渡“海”，汉恩斯挥斧做了木筏。乘筏途中，他放下鱼钩，以肉为鱼饵，居然钓到了一条鲟鱼。这种鱼在地面上早已灭绝。在距离木筏将近100米的地方，他们突然看见两只海兽在搏斗。其中一只有海豚的鼻子、蜥蜴的脑袋、鳄鱼的牙齿，这是古代爬虫类中最可怕的鱼龙；另一只是鱼龙的死敌蛇颈龙，它有着圆筒状的身体、短短的尾巴和桨状的四肢，伸缩的头颈一抬起，就有约10米高。两只海兽的搏斗持续了一两个小时，他们举枪准备射击时，两只海兽已潜入海里去了。
前方的云层越压越低，接着是闪电，暴风雨来了。他们乘着木筏飞速向前。只听一声巨响，木筏撞在岩石上，碎了。汉恩斯连忙去砍伐木材，修理木筏。教授和助手被好奇心所驱使，来到了一片冲积形成的沉渣地上。他们的脚下满是各种大小贝壳和史前动物的遗骨。当一批价值无法估量的财宝——奇特兽、乳齿象、原猿、翼手龙的遗骨出现在眼前时，他们激动极了。突然，在火山灰土上，他们发现了一颗裸露在外的人头骨。在附近，他们又看见了一个第四纪人的完整标本。
忽然，阿克赛一阵战栗，在他的指点下，黎登布洛克教授看到不远处有个人正背靠一棵高大的贝壳杉站着，看守着一大群乳齿象。那人6米多高，长着水牛头般的脑袋，蓬乱的头发像古大象的鬃毛那般竖立着。阿克赛不由分说地拉起教授就往回跑。回去的路上，他们捡到了两三百年前的人们遗落在河滩上的匕首。很快，他们在狭窄海岸的花岗石板上，又发现了被磨蚀了的文字。教授惊叫起来，这显然又是炼金术士阿恩·萨克奴姗的杰作。
木筏修复了，他们继续前行，但他们的行程被花岗石地壳拦住了。为了打开通道，他们在岩石内施放了炸药。
炸药没有爆炸声，岩石却像一道帷幔似的打开了，眼前是深不可测的无底洞，海面掀起了巨浪，木筏直立在浪尖上了。
木筏急剧上升，下面是沸腾的水，水下面是一片熔岩。他们还没能反应过来，折回来的岩流就已将他们带到了火山喷口的边缘。
经过一段时间，木筏终于静止了下来。这时，从橄榄树丛里钻出个衣衫破旧的小孩。他们一打听，才知道他们此刻所处的位置是西西里北部的斯特隆博利岛。
冒险的地心之行，全部行程将近6500千米，历时十三个星期。黎登布洛克教授给向导汉恩斯付了薪水，然后，就和他的助手阿克赛一起，踏上了回归汉堡的路程。