あらすじ：ネタバレなし部分まで
地底世界の研究をしていたマックス・アンダーソン(ジャン・ミシェル・パレ)が失踪してしまう。
それから10年後、マックスの弟であるトレバー・アンダーソン(ブレンダン・フレイザー)は、大学で兄の研究室を引き継ぎ、大陸移動説について教鞭をとっていた。だが、学生不足で閉鎖の危機に陥っていた。
そんなトレバーのもとに、マックスの妻・エリザベス(ジェーン・ウィーラー)が13歳の息子ショーン(ジョシュ・ハッチャーソン)を連れて訪れてきて、「10日間息子を預かって」と依頼する。さらに、マックスの遺品の入ったダンボールを渡すのだった。
トレバーは、遺品の中に、かつてマックスと夢中になった小説ジュール・ヴェルヌの『地底旅行』を発見する。その本に書かれたメモを見ると、マックスはアイスランドに向かったことが判明し、トレバーはショーンとともに向かう。
アイスランドで、トレバーはマックスの友人である火山学者シグビョルン・アスゲリソンに会いに行くが、彼はすでに他界しており、娘のハンナ・アスゲリソン(アニタ・ブリエム)に会う。ハンナに案内してもらい、3人は火山探検を行う。
トレバーは、火山から地球の中心に到達する縦穴があると考えていた。すでに使われなくなった坑道のトロッコに乗り、彼らは異動する。その線路の先で、白雲母の洞窟の底が抜け、地球の中心へと3人は落ちていってしまう。
あらすじ：ネタバレあり・結末まで
3人が辿り着いた先は、センター・オブ・ジ・アース(地球の中心)であった。そこは、ジュール・ヴェルヌの思い描いていた地底世界であり、太古の生物たちが存在していた。
同時に、そこでマックスの遺体も発見される。彼は脱水で他界していたのだった。マックスのメモを読むと、「気温が200°F(約93℃)に到達する」ことが判明し、その前にすぐに脱出する必要があった。
『地底旅行』に書かれていた内容を参考に、トレバーたちは間欠泉から地上へと脱出することを考える。イカダを作って乗り、海を渡ろうとするのだが、そこで巨大魚に襲われてしまう。さらには、首長竜にまで現れるのだった。
ショーンは、大風でに吹き飛ばされ、トレバーとハンナとはぐれてしまう。落ち込むトレバーを慰めるかのように、ハンナは彼にキスをする。ショーンはティラノサウルスに襲われる中、やってきたトレバーに救助される。3人は再び間欠泉を目指す。
ところが、高温で水が枯れてしまっていた。そこでトレバーたちは、堰き止めていた岩をマグネシウムを発火させて破壊し、大量の水をマグマへと流し込む。結果、間欠泉が吹き出し、トレバーたちはそれに乗って地上へと脱出するのだった。
脱出した先はブドウ園だった。破壊してしまったブドウ畑のことで抗議する農民に、ショーンはダイヤモンドを渡す。トレバーとハンナは、一緒に新居で暮らし始め、そこにショーンがやってきた。ショーンのダイヤモンドにより、トレバーは研究室を継続することができた。
トレバーは、ショーンに「アトランティス」についての本を手渡し、ショーンはクリスマス休暇中に一緒に冒険をすることを約束する。ショーンは、地底世界から鳥をペットとして連れてきた。だが、鳥は空へと飛び立っていくのだった。
