崔佛·安德森（布蘭登·費雪飾）是位波士頓火山學教授，他的姪子西恩（喬許·哈卻森飾）預計要暫住在他家十天後前往加拿大，崔佛回家聽到西恩母親的答錄留言才想起西恩要來暫住他家。西恩的父親麥斯，也是崔佛的哥哥在三年前研究地底活動時失去消息，導致西恩個性較為閉塞。當崔佛提及麥斯的往事，西恩提起興趣聊起從沒有機會聽到的事。崔佛發現到麥斯的舊箱中有棒球套、溜溜球和一本儒勒·凡爾納的《地心歷險記》。在書中崔佛發現到麥斯在裡頭標注的筆記，逐漸解讀出筆記內容，於是必須親自前往冰島一趟。原本打算送西恩回母親那邊，但西恩拒絕於是兩人開始展開旅程，去尋找另一位書中註記的火山學家安羅森。

當他們找到火山學家的研究室，安羅森不在而是她女兒漢娜（安妮塔·柏寧飾）前來應門，並說明他父親早已過世。漢娜始終不願承認他父親的研究，稱那些相信地心有另一個世界的人為「凡爾納信徒」，最終他妥協引導他們去找測儀器。登上山頂取得測儀器資料時，卻遇上閃電風暴，為了躲避閃電使得三人都被困在洞穴中。三人只好找尋其他路逃出洞窟，走往深入意外發現古礦坑軌道遺跡，更堅信有出口可以出去。在驚險的礦坑軌道推車後，最後抵達一個充滿寶石的地方，卻無注意到他們踩在脆弱的雲母上方，雲母碎裂三人因而跌落無底深淵。

最後他們透過水滑梯直達深洞的底部，隨著發光的日光鳥來到「地球的地心」，接著再往前走經過蘑菇森林，發現麥斯曾經住在此地的遺址，崔佛和西恩尋得麥斯的老舊記事本，漢娜找到麥斯的遺骸和石塚碑墓，接著崔佛念出麥斯寫給西恩三歲生日時的日記，證明他爸還是愛他的，只是逃不離這個地底世界了。他們繼續閱讀下去瞭解地底的熔岩就像個巨大溫室，溫度會隨著時間越來越高，必須在有限時間內逃出地心，唯一的辦法就是往北找到噴泉把他們噴出地球表面。他們得在48小時內抵達，且要在華氏升到135度前逃出，否則全部的水會隨著溶岩高溫而蒸發。

他們開始製作竹筏，來橫跨地底海洋，隨著上層熱氣流把他們帶往北方，但途中遭遇古代巨大魚龍的襲擊，隨後又出現蛇頸龍群，在之中因為西恩緊捉住快被強風吹走的帆布，連人帶布被吹到遙遠的地方，自此與崔佛和漢娜分散。西恩昏迷醒來後，有隻小日光鳥跟隨在他身邊，作為引導前往北方河流處。另一方面，崔佛和漢娜找尋西恩的同時，遭受到巨型捕蠅草的攻擊。西恩這邊驚險跳越磁石區來到中心處，卻又差點成為暴龍的獵物，此刻崔佛及時出現援救，想盡辦法讓巨太龍踩上雲母而跌落深底。

費盡千辛萬苦終於抵達噴泉處，水卻早已都乾枯了，而底下的岩漿不斷地湧昇上來。絕望之餘注意到洞壁的牆面仍是溼的，裡頭蘊含著豐富的地下水，崔佛努力使用照明燈點燃牆上的鎂，使之爆炸讓地下水湧出灌入下方岩漿，產生蒸氣把他們一股氣衝出義大利的維蘇威火山。爆發後不小心破壞了義大利農夫的葡萄園，於是西恩只好拿出先前在地底偷藏的鑽石給予賠償，崔佛也用那些鑽石為他哥哥建立更大的研究室。經歷這場地心冒險，漢娜和崔佛心也靠得更近親吻彼此。電影最後西恩要和崔佛告別，並約定好聖誕節假期回來，前往下一個探險「亞特蘭提斯」。