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。

ジャンをかばって囚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・ウォーターの在り処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"と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。