1974年秋、深海潜水艇「わだつみ」の操縦者・小野寺俊夫は、地球物理学者の田所博士のオファーで伊豆沖に潜る。たが、その海底には不気味に蛇行する亀裂が横たわっていた。直後、艇は強烈な直下型地震に見舞われ…。

沈没した島の調査のため、田所ら調査団は現地に向かうと、ベヨネーズ列岩の大爆発に遭遇。田所は小野寺を挑発して、強引に「わだつみ」で潜水する。だが、田所は艦を沈んだ島ではなく、日本海溝に向けさせる。

天城山の噴火によって発生した津波から、小野寺は必死に玲子を救出。東京に戻った小野寺に、田所は日本沈没の危機を説き、協力を頼む。恋人・悦子を救えなかったことを恨む小野寺は、田所の申し出を受けられず…。

玲子に会えぬまま、ケルマディック号に乗せられ田所と共に日本海溝に潜航した小野寺。しかし、1万メートルの深海で突如起こった海底地震に巻き込まれ浮上できなくなる。死を目前に、田所は初めて過去を語る。

小野寺は田所と共にケルマディック号で近いうちに沈没するという南ヶ島に向かう。数百名の島民が騒ぎださないよう、田所は極秘に島の調査を進めるが、小野寺は島民を助けたい一心で、教師・矢島に教えてしまう。

日本沈没を確信しD計画への参加を決心する小野寺は、吉村に辞意を言いだせぬまま休養を命じられる。実家では義弟・周二が、土地投機のための借金を頼み込む。真意を告げられない小野寺には、断ることしかできず…。

田所は近く箱根に異変が起こると予言し、それは現実となった。目の前で芦ノ湖は地中に吸い込まれてしまう。その頃、玲子は父・慎太郎に小野寺との交際を固く禁じられてしまう。小野寺は吉村に辞表を提出し…。

田所は総理府で開かれた中央防災会議で日本が沈没すると予言。しかし、妄想としか受け取られず、田所はD計画からも外されてしまう。その頃、小野寺のアパートには、雨に打たれずぶ濡れの玲子が訪れていた。

九州南端の佐多岬沖で発見されたという隼人盾。それは、相次ぐ海底の異変で浮き上がってきたものなのか?小野寺はケルマディック号で佐多岬の海底調査を決行し、D計画メンバー・山城教授を拉致、同乗させる。

田所の命を受け、阿曽山調査のため熊本へ飛んだ小野寺。阿曽山の臨時測候所に勤める青木は、データには現れない阿蘇の異常と本列島全体への波及を感じていた。野寺が火口の調査に向かうと、そこに青年・沖田がいた。

田所がD計画にチーフとして復帰。その頃、東京上空にオーロラが発生。凄まじい磁気嵐を伴ったオーロラは、通信機関を大混乱に陥れる。小野寺のアパートに身を寄せている玲子は、2人の将来について話し合おうとする。

小野寺の報告を受けた田所は、近いうちに京都が壊滅することを予見したが、その正確な日時が割り出せずに苦悩する。京都に向かった田所は、古美術商を営む旧友の木村に出会い、悲しみを胸に秘め青春を懐かしむが…。

京都は大地震に見舞われ大半は壊滅したが、田所の予知により避難勧告で多数の人々の命は救われた。政府の中では大地震と日本沈没説とを結び付けて考える者はいない。小野寺は田所の旧友・木村の救出に奔走していた。

京都壊滅の後、日本列島は静かな新年を迎えた。久しぶりに玲子とスケート場に出かけた小野寺は、そこで玲子のかつてのクラスメイト・桂と会う。航海士である桂は世界各地の地震データを匿名で田所に送り続けていた。

山形県を襲った震度6の地震は、同時に100キロ離れた秋田の海底油田にも異変をもたらした。田所は小野寺と共にケルマディックで調査に向かう。そこには油田があるが、京都地震以降、全く石油が出なくなり…。

桜島の異変を察知した田所は鹿児島湾の海底調査を計画。小野寺は親友の結城に協力を求めるが、彼は牛島の依頼で沈没船の調査をしていた。それは、牛島や玲子の父親たちが私財を海外に運ぼうとして沈没した船だった。

小野寺はD計画本部より指名を受け、人工衛星にカメラを搭載するため天草へ向かう。だが、天草のロケット発射基地でセスナの女操縦士・有吉摩耶の監視役を任される。小野寺は摩耶の家で奇妙な黒い石を見せられ…。

北海道の牧場にいた玲子は祖母、従姉妹の百合、元太ら高校生4人組に囲まれた束の間の安息の時間を過ごしていた。しかし函館の近くにまで氷山が出現するという異常現象が発生。小野寺は玲子を追って北海道へ向かう。

日本沈没が2カ月後には始まり、その前触れとして北海道・石狩平野と夕張山地があと半日後には陥没するという結論を出した田所。松川首相はテレビ会見で国民に日本沈没の事実を告げ、あえて虚偽の発言をする。

異常現象は続いていたが、松川首相の“日本沈没3年後発言”もあり、国民の危機感は緩んでいた。沈没の真実を知る小野寺は苦悩し、玲子の行方もわからず自暴自棄になるが、田所の言葉を思い出しD計画に復帰する。

長野県を襲った大異変は、全て大地溝帯=フォッサマグナ上で起きていた。田所は次に西伊豆の大浦岬灯台が危ないと察し避難命令を出す。所長夫婦が灯台に残るが、大陥没が岬を襲い、灯台は孤立してしまう。

列島沈没まで1カ月あまり。ついに松川首相は国民に真実を伝え、一刻も早く日本を脱出するよう呼びかける。日本民族の世界各地への分割移動計画がいよいよ実行されようとしていた。田所と小野寺も退去を命じられ…。

日本民族は続々と列島を脱出。順調に脱出が進んでいたかに見えたそんな折に第二次関東大震災が発生。震度7を記録した大地震は、首都の70%を破滅状態にした。そして、東京湾海底のマントルが異常隆起し…。

マグニチュード7.9という大地震が直撃し壊滅的打撃を受けた東京。一夜明けた廃墟の中を彷徨う田所は、小野寺と同じ青山ハウスに住んでいたマリアを探していた。彼女こそ、田所が探していた実の娘だったのだ。

1975年春、日本列島はバラバラの状態で、辛うじて浮いているに過ぎなかった。必死の捜索の中、小野寺は地下街から玲子とノブ子を救出、ヘリが到着する玉川の二子教会に向かう。間もなく富士山が大爆発し…。