公元1889年，为了参加飞行器比赛，爱好发明的少年让（Jean）来到了巴黎的万国博览会，在塞纳河畔对骑车路过的少女娜蒂娅（Nadia）一见钟情。让追随她来到埃菲尔铁塔，提出想跟她交个朋友，但娜蒂娅的态度非常冷淡。这时，意图抢走娜蒂娅持有的蓝宝石Blue Water的三人组出现在他们面前。

在让的帮助下，娜蒂娅暂时逃离了恶党三人组的魔掌，然后来到勒阿弗尔，在让的家中过了一晚。第二天，恶党三人组驾驶着一台万能战车“格兰坦克（グラタン）”再次袭来，于是让和娜蒂娅乘坐让发明的飞机“爱德华·多·拉谢努八世（エトワール・ド・ラ・セーヌ8世）”从空中逃跑……

总算摆脱了恶党三人组的让和娜蒂娅，因为飞机发生故障而被迫在海上降落。海上巡逻的美国战舰“亚伯拉罕号”偶然发现他们并救起他们。突然袭来的格兰坦克不低战舰，投降被俘。但是，好不容易松了一口气的时间，这次出现的神秘的大海兽。于是，战舰和大海兽的激战开始了。

神秘大海兽和美军战舰的激战中不慎落水的让和娜蒂娅，在他们面前另一只大海兽出现了。不过，那并不是生物，而是持有最新装备的潜水艇“鹦鹉螺号”。在正追踪着海盗的那艏潜水艇中，让和娜蒂娅受到一位自称名为“伊莱克特”的女船员的热情款待。

告别了鹦鹉螺号的让和娜蒂娅，乘坐改良后的飞机前往法国，但是途中突然受到攻击而被迫降落在一座小岛，而且那座岛被神秘的侵略者所占有。总算会合的两人，跟一位被侵略者夺走了父母的小女孩玛丽相遇。

　　侵略者把玛丽捉走了。为了救出玛丽，让和娜蒂娅潜入位于岛中心的侵略者的秘密基地。在那里，两人看到了之前跟鹦鹉螺号战斗过，被人们当作大海兽的潜水艇。原来那艏潜水艇，还有这座谜之秘密基地都是一个名为“新亚特兰蒂斯（ネオ・アトランティス）”的邪恶组织建造的。

为了保护让，娜蒂娅被捉住了。新亚特兰蒂斯的首领卡格依，不知为何称娜蒂娅为公主，以玛丽和小狮王为人质向她逼问蓝宝石Blue Water的所在。他的目的到底是什么？另一方面，让了救出娜蒂娅，乘搭自动拖车向基地的中心靠近。

　　“巴别塔”的发射试验进行之际，让跟格兰蒂斯、桑森、汉森3人组成的恶党三人组相会，为了救出娜蒂娅而合作起来。登场城堡的让，跟卡格依面对面地相见。卡格依以娜迪娅等人的生命为交换条件，要让交出Blue Water，不过……

　　新亚特兰蒂斯的基地崩坏了，用格兰坦克逃到海上的让等人向鹦鹉螺号寻求帮助，尼莫船长作出判断后决定救他们。娜蒂娅并不显得怎么高兴，不过，让和汉森对鹦鹉螺号的科学力量惊叹不已，格兰蒂斯竟对尼莫一见钟情。另一方面，第一次见到娜蒂娅的尼莫感到惊讶。

　　尼莫命令让和娜蒂娅分开房间。另一方面，鹦鹉螺号被卡格依的飞行船カルカロドン追击，在逆流的地下水道被新型的浮游机雷团团包围。迷恋尼莫的格兰蒂斯向尼莫提出让修理结束后的格兰坦克去排除水雷的方案。

　　将鹦鹉螺号从困境中拯救出来的格兰坦克得到了认可，格兰蒂斯等三人被收编为实习船员。作为客人的娜蒂娅也想作为一下，于是跑到船的厨房帮忙，结果以失败告终。另一方面，因为意外事件误入鹦鹉螺号的引擎室的让，看到了船的动力源——常温对消灭引擎……

　　对鱼料理感到厌倦的汉森大肆发泄不满情绪，看不下去的尼莫决定举行“狩猎之日”补充食物，让鹦鹉螺号登陆无人岛。船员们一个接一个地，以“消灭新亚特兰蒂斯”为共同目标聚集起来的船员人数之多，让等人感到惊讶。那天夜晚，在无人岛的海滩上，格兰蒂斯对娜蒂娅说起了自己的一段往事。

　　对猎杀小鹿一事十分生气的娜蒂娅和让吵起架来，其他的船员都忙个不停，没人照顾的玛丽和小狮王俩到岛上探险。途中，玛丽发现了一条救铁轨，沿路探寻不久就迷路了。然后偶然之下，玛丽看到了在岛上停泊的新亚特兰蒂斯的潜艇Garfish（ガーフィッシュ）。

　　为了追击Garfish，鹦鹉螺号再次出海。那个时候，玛丽突然得了灼热病，然后娜蒂娅也病倒了。经过诊断，两人只剩下两天的生命。想治疗这个病，必须要有一种生长在海底一个被称为作“REEF64（リーフ64）”谷底的特别草药。

　　连花也能在战舰内种植，让对鹦鹉螺号的科学力量越来越感动，娜蒂娅的表现却完全相反。那个时候，鹦鹉螺号在和Garfish战斗中损害，为了修理而浮现海面。不过，在那里等待他们的是美国的舰队。鹦鹉螺号受到了集中炮火的猛烈攻击……

　　造成一切争端的根源是自己持有的蓝宝石Blue Water，娜蒂娅为自己的命运感到烦恼。另一方面，为了把在船体修理过程中机关部因有毒气体泄露而牺牲的菲伊特等人埋葬，鹦鹉螺号前往位于马达加尔海沟，一个被称为“沉没的寺院（沈める寺院）”的海底遗迹。来到到遗迹的让等人发现这里竟然是1万2千年前消失的大陆——亚特兰蒂斯，并且让得知的自己的父亲已经死于Garfish的袭击的事实。

　　为了向杀死父亲的仇人讨回公道，让提出要成为鹦鹉螺号的正式船员，不过被尼莫拒绝。这使让感到非常沮丧。看到这样子的让，娜蒂娅说“想再次乘坐让制作的飞机飞行”的话给他鼓舞。以此为契机，让开始埋头设计新的自动螺旋装置……

　　多次的战斗导致维修材料不足的鹦鹉螺号，为了得到补给而前往南极的秘密基地。途中经过海底火山附近时，鹦鹉螺号被一个神秘生物攻击。那是不知几亿年前就活着的巨大鹦鹉贝·鹦鹉螺（ノーチラス）。鹦鹉螺号正被这只鹦鹉螺的触手缠住。

　　鹦鹉螺号终于达到南极洲地下的广阔空洞的秘密基地。修理作业期间，尼莫带着让和娜蒂娅前往某个地方。在那途中，有一个将遥远的太古时期濒临灭绝的各种各样的生物冰封起来的冰之博物馆。看到未知的生命，让和娜蒂娅对大自然的不可思议惊讶万分。然后来到目的地，那里有一条被尼莫视为至友，活了两万年之久的白色鲸鱼伊利雍。

　　为了打倒尼莫，卡格依开始建造空中战舰。另一方面，越来越埋头于发明的让，按照自己的想法制造了小型喷气式飞机。可是飞行试验失败，而且喷气式飞机的爆炸导致鹦鹉螺号的位置被敌人的Garfish发现。看到让不左声地被尼莫等人严厉训斥，娜蒂娅她……

　　在凯尔玛迪克海沟受到10艏Garfish集中火力攻击的鹦鹉螺号进行反击，成功将Garfish击沉。然而，搭载于空中战舰的卡格依的新兵器“超级捕捉光线炮（スーパーキャッチ光线炮）”发射，把鹦鹉螺号从海底被拉到空中。空中战舰持续放射出的原子振动炮和超音波炮，鹦鹉螺号船身多处受到破坏。穷途末路之际，伊莱克特副船长提出自爆的建议。

　　鹦鹉螺号终于沉入海底，尼莫船长把船员们集中在主操纵区（メインブロック），然后跟战斗区（戦闘ブロック）分离。战斗区通过自爆把Garfish舰队全灭，只剩下主操纵区的鹦鹉螺号从卡格依的围攻中逃脱。尼莫船长把娜蒂娅等人叫到船长室，船长室将从主操纵区分离出去。然后，回到机关室的尼莫，在那里等待他的是……

　　次日清晨，娜蒂娅给这座无人岛取名“林肯岛（リンカーン岛）”，他们漂流到岸的沙滩取名“船长湾（キャプテン湾）”，对面的沙滩取名“娜玛奇沙滩（ナマジャキビーチ）”等，宣称自己已经换胎脱骨，要跟一切科学和文明断绝关联，然后独自一人走进森林中去。另一方面，让、玛丽和小狮王把船长室中的食品、饮用水、物资等等搬出来，动手工搭建小屋子，为在岛上生活作准备。不过，娜蒂娅偷偷地把他们的食料罐头取走……

　　让和娜蒂娅为吃不吃肉激烈地争论着。固执己见，单方宣称坚决不吃“动物尸体”（=肉）的娜蒂娅老是对让发脾气。饥饿的娜蒂娅取了卡格依罐头中的腐烂菠菜来吃，然后卧病在床……让出去给娜蒂娅找草药，发现可疑蘑菇，不禁地吃了下去……

　　感觉只靠自己一个人无法生活下去，感谢让的娜蒂娅变得异常地温柔体贴，看到这样子的小狮王，仿佛内心受伤般。小狮王看到关系变好的让和娜蒂娅相互缠绵的样子，然后……终于离家出走了。出去寻找小狮王的让，途中不小心掉进山谷，在那里发现了矿脉。

　　强烈的台风袭击林肯岛。好不容易搭建成的小屋被吹塌了，让发明的许多装置也会损坏了，连小狮王也被强风吹飞，下落不明。台风过后那晚，一座神秘岛屿被冲到林肯岛附近。看到了那座岛上的小狮王的身影，娜蒂娅等人马上划船过去。他们发现，这座岛竟然并存有热带树木和寒带针叶林，还有沙漠般的沙丘。然后，他们跟之前在美国战舰见过的那位所谓海洋学家的“吹牛大王”艾尔顿相遇，竟然相信了他在这岛上遇到的各种“奇闻”……

　　对“恐怖大王”害怕之极的艾尔顿带着娜蒂娅他们逃跑。由于重力异常，跑地比平时得快，也能跳得很高，结果很快就绕了岛一圈，回到了“恐怖大王”的面前。“恐怖大王”其实是格兰坦克，格兰蒂斯、桑森和汉森出现。想不到能再次相遇的三人组和娜蒂娅等人沉浸在喜悦当中。不过，那时这岛又开始慢慢地漂移，离林肯岛越来越远。娜蒂娅等人决定移居到格兰蒂斯所在的这个岛上。

　　在新的小岛上开始居住的让和娜蒂娅仍是争吵不断，格兰蒂斯对尼莫的思念越来越深。这种状态下，桑森和汉森因为意见不合而吵起架来。艾尔顿提出以比赛的方式一决胜负。由桑森负责调教小狮王，汉森制作的机械装置“铁狮王（アイアン･キング）”，然后两个狮王进行赛跑！不过小狮王完全不停桑森指挥，于是桑森偷走了汉森的设计图，求让帮忙制作一个铁狮王来比赛。

　　格林坦克的修理接近尾声。目标是非洲东海岸。但是因为蚊子大量出现而无法继续缝补作业。那时候，艾尔顿以带她去喝葡萄酒为由引诱格兰蒂斯开走了格林坦克。直到这个事的桑森和汉森大怒，于是制作了野猪拉车“格兰坦克2号”去追击。另一方面，让和娜蒂娅发现不可思议的洞穴。进入洞穴后，他们发现那岛竟然是庞大的人造机器设施。

　　娜蒂娅突然被地下遗迹的墙壁吸收进入，岛中的大空洞浮现在眼前。那里是卫星城市“红色诺亚”。然后，M78星云的宇宙人制造的神秘巨人出现娜蒂娅面前，开始讲述240万年前从M78星云地球来的亚特兰蒂斯人的历史。娜蒂娅从中得知自己的身世和蓝宝石Blur Water相关的秘密。另一方面，因为红色诺亚的起动，小岛开始沉没，让向帮助娜迪雅逃离而行动…

　　Garfish潜入水中寻找红色诺亚，格兰蒂斯等人得以逃过一劫。但是，途中受到卡依格的空中战舰攻击，格兰坦克被迫在非洲某村落降落。娜蒂娅对那里遇到的少年哈马哈马（ハマハマ。CV：山口胜平）一见钟情。在哈马哈马的带领下参观村落的遗迹，娜蒂娅听他说起自己的故乡塔尔特苏斯（タルテソス），又被他的温柔的完全所吸引。那个时候，小狮王代遗迹偷吃了某个罐头，还偷喝了村中流传下来的不可思议的红汁后暴走起来~

　　把小狮王捉住的那个男人，正是格兰蒂斯的初恋对象，骗走她所有财产的人渣冈萨雷斯（ゴンザレス。CV：江原正士）。而且，独自展开拯救行动失败的格兰蒂斯和娜蒂娅也被他捉住了。让等人商定了周密的作战计划，然后跟哈马哈马及村名们一起开始了拯救作战，然后途中出现了意外……

　　经历失恋的娜蒂娅无精打采。桑森向让提议创作情歌，于是让投入自己的所有科学技术着手新的发明。然而，又埋头于发明的让娜蒂娅有些焦虑，这时格兰蒂斯给予娜蒂娅温柔的鼓舞。然后，让的新发明——全自动四弦琴演奏机终于完成了。让立即在娜蒂娅面前开始演唱起来……

　　格兰坦克终于到达娜蒂娅的故乡塔尔特苏斯（タルテソス）——那里是一个巨大的火山湖。就像被什么引导着似的，娜蒂娅走向湖中心。湖水向周围分开，湖底露出神秘的地下遗迹。娜蒂娅和格兰坦克向地下遗迹掉落，在蓝宝石Blue Water的力量下在地下通道前行。那里是古代亚特兰蒂斯人的遗产“蓝色诺亚（ブルーノア）”。得知自己诞生的秘密的娜蒂娅，无法忍受背负着的命运的分量。

　　新亚特兰蒂斯的空中战舰出现，为了让等人免受，娜蒂娅被卡格依主动被卡格依囚禁。但是卡格依不守约定而开始攻击。格兰坦克逃跑的让等人，在千钧一发之际得到神秘的小型舰艇的帮助。那个小型舰艇走出来的，是让人怀念的伊莱克特。在伊莱克特的向导下，让等人来到一个长满红锈的巨大物体面前，那就是尼莫船长的万能战舰·新鹦鹉螺号！

　　凭借尼奥皇帝的超能力，尼莫持有蓝宝石Blue Water也被卡格依得到。卡格依以为在新亚特兰蒂斯的投弹攻击中已经将新鹦鹉螺号消灭了，其实新鹦鹉螺号利用非洲大陆地下的隧道回避了那次攻击。另一方面，尼奥皇帝启动了Blue Water的力量，使得“红色诺亚”完全复活。尼奥皇帝会见娜蒂娅，娜蒂娅发现对方竟然是自己的亲哥。然后，新亚热兰蒂斯开始向全世界宣战。

　　巴黎上空，新鹦鹉螺号和红色诺亚展开激烈地炮击战，埃菲尔铁塔也因此倒塌。但新鹦鹉螺号因为无法突破红色诺亚周围的1亿伏特的电磁屏障而陷入苦战，尼莫下令，新鹦鹉螺号也展开防护罩跟对方硬碰硬，危急时刻电磁屏障终于被开发一个细缝，格兰蒂斯、汉森、桑森驾驶格兰坦克冲进红色诺亚内部。然后，追赶红色诺亚的新鹦鹉螺号飞往太空与之对峙，但是红色诺亚发射巴别塔之光向新鹦鹉螺号直接攻击！

　　娜蒂娅的哥哥尼奥是被卡格依改造成机械人后为其所操纵着，现在连娜蒂娅也被他洗脑。就在尼奥和娜蒂娅向尼莫的胸膛射击的时候，新鹦鹉螺号在伊莱克特的指示下下开动主炮，使尼莫幸免于难。另一方面，尼奥奇迹般地恢复了意识，豁出性命给娜蒂娅解除洗脑。恢复意识的娜蒂娅训斥卡格依；尼奥死后Blue water继承者只有娜蒂娅，卡格依用高压电折磨伊莱克特迫使娜蒂娅就烦，甚至还摔死了让。这时，新鹦鹉螺号冲过来把卡格依轰飞。娜蒂娅以使其Blue water的力量为代价，使得让复活了。红色诺亚逐渐坠落，新鹦鹉螺号失去了动力，全员乘搭红色诺亚上的宇宙船逃离，而尼莫决定留在新鹦鹉螺号用主炮为他们开路，跟红色诺亚一起葬送于太空。众人成功返回地球，重新开始了各自的新生活。