1889年。飛行コンテストに出場するため、パリの万国博覧会にやってきた発明好きの少年ジャンは、セーヌ川の岸辺で見かけた少女・ナディアに一目ぼれ。何とか友だちになろうと話しかけるジャンだが、ナディアの態度は冷たい。するとそこへ、ナディアの持つ宝石“ブルーウォーター”をねらう三人組があらわれる。

ジャンの活躍で悪党三人組から逃れることができたナディアは、ル・アーブルにある彼の家で夜を明かす。ところが翌朝、三人組が万能戦車グラタンでふたたび襲ってきた。そこでナディアとジャンは、ジャンが発明した飛行機｢エトワール・ド・ラ・セーヌⅧ世｣に乗り込み、空を飛んで逃げることに・・・。

何とか三人組から逃れることができたジャンとナディアだが、飛行機が故障し海に不時着。偶然パトロール中のアメリカの戦艦に発見され助けられた二人。こりずに襲ってきたグラタンも戦艦にはかなわない。しかしほっとしたのも束の間、今度は謎の大海獣が現れ、戦艦と激しい戦闘を始めてしまう。

謎の大海獣と戦艦の戦闘中に、海に投げ出され取り残されてしまったジャンとナディア。すると二人の前にもう一匹の大海獣が現れる、が、それは生き物ではなく最新の装備を持つ潜水艦だった。海賊を追っているのだという潜水艦の中で、二人はエレクトラと名乗る女性から親切なもてなしを受ける。

ノーチラス号に別れを告げたジャンとナディアは、改良してもらった飛行機でフランスに向かう。ところが、突然攻撃を受け飛行機は近くの島に墜落、しかもその島は謎の侵略者たちによって占領されていた。何とか再会した二人は、侵略者に両親を奪われてしまった少女、マリーと出会う。

侵略者にマリーが捕らえられてしまった。ジャンとナディアはマリーを救い出すため、島の中心にある秘密基地へ潜入する。二人はそこで、ノーチラス号と闘っていた潜水艦を目にする。潜水艦も、謎の秘密基地も｢ネオ・アトランティス｣を名乗る組織によって造られたものだったのだ。

ジャンをかばって捕らわれの身となったナディア。ネオ・アトランティスの首領ガーゴイルは、ナディアをなぜかプリンセスと呼び、マリーとキングを人質にして組織への協力を迫る。彼の狙いはいったい何なのか? 一方ジャンは、ナディアたちを救出するためトロッコに乗って基地の中心部へ向かう。

｢バベルの塔｣の発射実験のさなか、グランディスたち悪党三人組と再会したジャンは、ナディアを助け出すため力を合わせることに。城に乗り込んだジャンは、ガーゴイルと対面する。ナディアたちの命と引き換えに、ブルー・ウォーターの在りかを聞き出そうとするガーゴイルだが・・・。

ネオ・アトランティスの基地が崩壊、グラタンで海へと逃げ出したジャンたちは、ノーチラス号に助けを求め、ネモの判断で救出されることに。ナディアは浮かない顔だが、ジャンとハンソンはノーチラス号の科学力に大喜びし、グランディスはネモに一目ぼれ。一方、初めてナディアに会ったネモは驚く。

ネモの命令で部屋を分けられケンカをしてしまったジャンとナディア。一方、ノーチラス号はガーゴイルの飛行船カルカロドンを追撃するのだが、逆に地下水道で新型の浮遊機雷に囲まれてしまう。ネモに恋するグランディスは、修理が終わったグラタンで機雷の除去を提案する。

ノーチラス号の窮地を救ったグラタンの活躍が認められ、グランディスたちは見習い乗組員として採用されることになる。客員となったナディアも何か役に立とうと、船内の調理場でグランディスを手伝うのだが失敗ばかり。一方、ひょんなことからノーチラス号のエンジン室に迷い込んだジャンが目にしたものは・・・。

魚料理にあきて不満をもらすハンソンたちを見かねたネモは｢狩りの日｣をもうけ、ノーチラス号は無人島に上陸。次々島に繰り出す船員たち。“ネオ・アトランティスを滅ぼす”いう目的のために集まった船員の多さに、ジャンたちは驚く。その夜、無人島の浜辺でグランディスはナディアに自分の過去を語る。

小鹿を狩ったことに激怒するナディアはジャンとケンカ、ほかの船員たちもみんな仕事が忙しく、かまってもらえないマリーはキングと島の探検に出かける。途中、古い線路を見つけ遊ぶマリーたちだが、そのうち迷子になる。そして偶然、島に停泊しているガーフィッシュを目撃してしまう。

ガーフィッシュを追い、再び海に出るノーチラス号。そんな時、マリーがしゃく熱病にかかってしまう。そしてナディアまでもが倒れてしまい、二人ともあと2日の命と診断される。病気を治すにはリーフ64と呼ばれる海底に生えている特別な薬草が必要だった。

花すら戦艦内で作ってしまうノーチラス号の科学の力にますます感動するジャン、逆に反発するナディア。そんな折ノーチラス号は、ガーフィッシュとの戦闘の最中に損害を受けてしまった。修理をするため海上へ浮上したのだが、そこで待ち受けていたのはアメリカの船隊だった。集中砲火を受けたノーチラス号は・・・。

全ての争いの元となっているブルーウォーターを持つ自らの運命に悩み苦しむナディア。一方、船体修理中に機関部で漏れた有毒ガスにより犠牲となったフェイトたちを埋葬するため、ノーチラス号は｢沈める寺院｣と呼ばれる海底遺跡へ向かう。遺跡に着き弔いを始める乗組員たち。そんな中、ジャンはあるものを目にする。

父の死を知りその敵を討つためノーチラス号の正式な乗組員を志願したジャンだったが、ネモに断られてしまう。すっかり落ち込むジャン。そんな様子を見たナディアは｢またジャンの飛行機で飛んでみたいな｣と、彼を元気づける。それをきっかけに、ジャンは新しくオートジャイロの設計に没頭し始める・・・。

度重なる戦闘補修によって資材が不足したノーチラス号は、その補給のため南極にある秘密基地へとむかう。その途中、謎の物体に捕えられてしまう。それは何億年も前に生きていたとされる巨大なオウム貝・ノーチラスだった。ノーチラス号はノーチラスに直撃され、その触手によって締め上げられていく。

南極大陸の地下に広がる秘密基地に到着したノーチラス号。修理作業の最中、ネモはジャンとナディアをつれてある場所へと向かう。その途中には遥か太古に絶滅した様々な生物たちが、氷で保存された氷の博物館があった。未知の生命、自然の不思議に驚くジャンとナディア。そして目的地には、ネモの友人クジラのイリオンがいた。

ガーゴイルは空中戦艦を建造し、ネモを倒すため再び動き始めていた。一方、ますます発明に没頭するジャンは、自らのアイディアで小型ジェット機を造り上げる。しかし打ち上げの実験に失敗、その上ジェット機の爆発によってノーチラス号はガーフィッシュに見つかってしまう。ネモたちにひどく怒られるジャンを見たナディアは・・・。

ガーフィッシュの集中攻撃を受けたノーチラス号だが、逆にガーフィッシュを撃沈。ところが、空中戦艦からガーゴイルの新兵器・スーパーキャッチ光線が発射され、ノーチラス号は空中に引き揚げられてしまう。続いて放射された原子振動砲によって、船体は破壊され絶体絶命の危機に陥る。その時、エレクトラ副長はある提案をする。

海底へと沈んでいくノーチラス号。ネモ船長は乗組員をメインブロックに集め、戦闘ブロックを切り離した。自爆した戦闘ブロックがガーフィッシュを全滅。メインブロックのみになったノーチラス号はガーゴイルの手を逃れた。ネモ船長は、船長室にナディアたちを呼び出した。船長室をメインブロックから切り離し、ナディアたちだけでも助けるために・・・。そして、機関室に戻ったネモ船長を待ち構えていたのは・・・。

ナディアたちを乗せた船長室は、ゆっくりと海中を進んでいく。何とか浸水の危機を乗り越えたナディアとジャン、マリーとキング。船長室はとある砂浜に漂着。そこでマリーはガーゴイルのマークが入った缶詰を見つける。しかし島はもう誰も住んでいない無人島。ナディアは、誰も、悪人もいない、この島で生きていこうと決心する。

夜明け、ナディアは島を“リンカーン島”漂着した入江を“キャプテン湾”砂浜を“ナマジャキビーチ”などと命名し、ジャンたちに生まれ変わったと宣言。科学文明と縁を切って生きていくと、森の中へと行ってしまった。

ジャンとナディアは、肉を食べるか食べないかで激しく言い争う。肉を食べない!と一方的に宣言し、意地を張るナディアはジャンに対して怒ってばかり。そして、ガーゴイルの腐ったホウレンソウの缶詰を食べ、寝込んでしまう。ジャンはナディアのために薬草を探しに出かけ、怪しげなキノコを発見、思わず食べてしまい・・・。

人はひとりで生きていられないと感じ、ジャンにあらためて感謝しすっかり優しくなったナディア。その様子を見たキングは、激しく傷つき動揺する。そしてキングは、仲良く寄り添いあうジャンとナディアを目撃。そして・・・、ついに家出をしてしまう。キングを探しに出たジャンたち。その途中ジャンはうっかり谷間に転落。そこで鉱脈を発見する。

リンカーン島を激しい台風が襲う。ジャンがせっかく作った小屋は吹き飛ばされ、発明した数々の装置も崩壊し、キングは強風に吹き飛ばされ行方がわからなくなる。台風が去った夜、見慣れない島が流されてきた。その島でキングの姿を見つけ、早速助けに向かうナディアたち。ところが、島は南洋の植物や針葉樹林がある上に砂漠のような砂丘もある気味の悪い島だった。しかもアメリカ戦艦で出会った海洋学者エアトンが・・・。

エアトンがおびえる｢恐怖の大王｣から逃げるナディアたち。重力異常でいつもより速く走り、高くジャンプすることが出来るのだが、やりすぎて島を一周してしまう。しかし｢恐怖の大王｣・・・それはグラタンだったのだ。その中から懐かしいグランディスたち三人組が現れる。思わぬ再会を喜び合う三人組とナディアたち。しかし喜びも束の間、島は再び流され始めていた。ナディアたちは、移住することにする。

新しい島での生活をはじめたジャンとナディアだが相変わらず言い争いが絶えず、グランディスはネモへの思いがつのるばかり。そんな中サンソンとハンソンはふとしたことから意見が対立、ケンカになってしまう。そこでエアトンがレースで決着をつけることを提案。サンソンはキングを調教し、ハンソンは機械仕掛けのアイアン・キングを作り、キング対アイアン・キングで競争することになる。

グラタンの修理が完了する日が近づいていた。目指す場所はアフリカ東海岸だ。ところが蚊が大量発生し作業どころではなくなってしまう。そんな中、エアトンがグランディスを誘いグラタンに乗り込みワインを飲み出かけた。それを知ったサンソンとハンソンは激怒。

地下にある遺跡で突然壁に吸い込まれたナディアは、島の中の大空洞に浮かんでいた。そこは衛星都市レッドノア――。そしてナディアの前にM78星雲の宇宙人に作られたものだという謎の巨人が現れ、240万年前にM78星雲から地球にやってきたアトランティス人の歴史を語り始める。ナディアはまたそこで、自らの出生とブルーウォーターにまつわる秘密を知る。一方ジャンは、ナディアを助けようとするのだが・・・

潜水をはじめた島からグラタンで避難したジャンやグランディスたち。だが途中でガーゴイルの空中戦艦に攻撃を受け、アフリカにある村に不時着する。ナディアはそこで出会った少年・ハマハマに一目ぼれ。ハマハマに案内された村の遺跡で、ナディアは故郷タルテソスの話を聞き、また彼の優しさにすっかり舞い上がってしまう。そんな中、キングが村に伝わる不思議な薬・赤い実の汁を飲み暴走し始めた!

キングを捕らえて宝を要求してきたのは、グランディスの初恋の相手で、彼女から全財産を奪った男、ゴンザレスだった。その上、キングを助けに向かったグランディスとナディアまでもが捕われてしまう。残されたジャンやサンソンたちは綿密な作戦を立て、ハマハマや村人と組んで救出を企てるが、途中で誤算が生じてしまい・・・

失恋し、すっかり落ち込んだナディア。ジャンはサンソンから、歌を作るようアドバイスされ、自分のすべての科学技術を投入して新しい発明に取りかかる。ところが、発明に熱中しかまってくれないジャンにナディアはいらだってしまう。そんなナディアを、グランディスは優しく励ます。そしてようやくジャンの新発明、全自動ウクレレ演奏機が完成した。早速ナディアの前で歌い始めるジャンなのだが・・・。

グラタンが到着したナディアの故郷・タルテソス ―― そこは、大きな火山湖だった。何かに導かれるように湖の中を進んでいくナディア。すると湖水が割れ、謎の地下遺跡が現れる。ナディアとグラタンはその地下遺跡へ降り立つ。ブルーウォーターの力によって地下道を進む一同。そこは古代アトランティス人の遺産｢ブルーノア｣だった。自分の誕生の秘密を知ったナディアは、その背負った運命の大きさに耐え切れなくなる。

突如現れたネオ・アトランティスの空中戦艦。攻撃からジャンたちを守るため、ナディアは捕らわれの身となる。だがガーゴイルは約束を破り攻撃を開始する。逃げるジャンたちは、間一髪のところを謎の小型艇に助けられる。その小型艇から現れたのは、懐かしのエレクトラだった。彼女に導かれ、たどり着いた先には、赤錆びた鉄屑のような物体があった。それこそ、ネモ船長の万能戦艦N-ノーチラス号だった。

ネオ・アトランティスの攻撃により消滅したと思われたN-ノーチラス号は、アフリカ大陸の地下トンネルを使って空中戦艦の攻撃を回避していた。一方、ネオ皇帝の力によりブルーウォーターが発動し、レッドノアは完全復活した。ネオ皇帝に出会ったナディアは、ふとしたことから彼が何者であるかを知る。そしてネオ・アトランティスは世界各国に対して宣戦布告をする。

パリ上空で、N-ノーチラス号とレッドノアの戦いの火ぶたが切って落とされた。レッドノアの周囲には1億ボルトの電磁バリアが張られていて、内部に突入することができず苦戦を強いられる。何とかバリアをこじ開け、そこから侵入したグラタンがバベルの塔破壊に突き進む。一方レッドノアを追ってN-ノーチラス号は宇宙へと向う。しかし宇宙でバベルの光が発射され、N-ノーチラス号を直撃する。

ナディアの兄・ネオはガーゴイルにより機械化され操られていた。ネオとナディアがネモを撃とうとしたまさにその時、N-ノーチラス号が反撃しネモは間一髪危機を免れる。一方奇跡的に自らの意識を取り戻したネオは、命をかけてナディアを洗脳から解放する。意識を取り戻したナディアはガーゴイルに反発。ガーゴイルは見せしめに、エレクトラ、ジャンを次々手にかける。悲しみに沈むナディアは、ここで最後の決断を迫られる。