Матросы яхты «Дункан» лорда Эдуарда Гленарвана в водах Шотландии поймали рыбу-молот. Внутри рыбы нашли бутылку с письмом-просьбой о помощи, написанном на трёх языках: английском, немецком и французском. Несмотря на то, что вода сильно испортила текст, удалось разобрать, что английское судно «Британия», пропавшее в море за год до начала событий романа, потерпело крушение, после которого остались в живых три человека: капитан Грант и двое матросов, и что они нашли убежище на какой-то земле, лежащей на 37° южной широты. Долготу же, как и саму землю, на которую выбрались жертвы крушения, определить не удалось. Британское Адмиралтейство отказывает Гленарвану в поддержке, ссылаясь на неясность и неполноценность информации. Действительная причина отказа — националистические убеждения пропавшего капитана Гранта, мечтавшего о независимой Шотландии. Основная цель его плаваний — найти и основать Новую Шотландию. В дом Гленарвана приезжают сын и дочь капитана Гранта в надежде узнать об отце. Леди Элен Гленарван убеждает мужа отправиться на поиски капитана на яхте «Дункан». «Дункан» выходит из Глазго и отправляется в плаванье. На борту находятся сам лорд Гленарван со своей женой, его кузен майор Мак-Наббс, а также Роберт и Мэри Грант. Яхтой «Дункан» командует капитан Джон Манглс. На судне оказывается лишний пассажир — известный французский географ Жак Паганель, по рассеяности перепутавший судно. Он направлялся в Индию по заданию географического общества. Пассажиры уговаривают его остаться, и Паганель присоединяется к поискам капитана Гранта.

Путешественники плывут на восток, пересекают Индийский океан и посещают по пути острова Тристан-да-Кунья и Амстердам, лежащие на 37 параллели, но столь же безрезультатно, и высаживаются в юго-восточной Австралии. Лорд Гленарван находит ферму, принадлежащую гостеприимному ирландцу, который тоже ничего не знает о «Британии». Однако один из его слуг, по имени Айртон, заявляет, что он был боцманом на «Британии», и что она погибла на восточном берегу Австралии. Сам Айртон попал в плен к австралийским аборигенам, но потом бежал и в течение месяца скитался по лесам, пока не набрёл на ферму ирландца, где и остался жить. По словам Айртона, он думал, что Грант и вся команда погибли. Лорд Гленарван решает пересечь Австралию в поисках капитана Гранта вдоль 37 параллели и приглашает Айртона проводником в свою экспедицию. В её состав, кроме Айртона, входят также те лица, что участвовали в поисках капитана Гранта в Патагонии, к ним присоединяются леди Гленарван, Мэри Грант, капитан Манглс и Олбинет — стюард «Дункана», в то время как сама яхта под командой помощника капитана Тома Остина направляется на ремонт в Мельбурн и должна ждать там дальнейших инструкций Гленарвана.

Экспедиция начинает терпеть бедствия, одна за другой падают почти все лошади, отряд попадает в болота реки Сноу. Лорд Гленарван пишет приказ Тому Остину направиться к восточному берегу Австралии и крейсировать в районе 37 параллели. Мак-Наббс разоблачает Айртона, который является атаманом шайки беглых каторжников. Айртон захватывает письмо и спешит в Мельбурн, надеясь захватить быстроходный «Дункан». Отряд лорд Гленарвана пешком достигает порта Иден и телеграфирует в Мельбурн. Гленарван узнаёт, что «Дункан» отплыл 18-го января в неизвестном направлении и решает, что его яхта попала в руки бандитов Айртона и стала пиратским судном. Обследовав побережье Австралии, в месте его пересечения с 37 параллелью, он окончательно убеждается в том, что Айртон лгал ему, и капитана Гранта в Австралии нет, и решает вернуться домой. Однако в Идене не оказывается судов, следующих в Европу, и Гленарван решает добраться до Окленда, который имеет с ней более-менее регулярное пассажирское сообщение. Путешественники садятся на торговое судно и отправляются в Новую Зеландию. У её западных берегов судно терпит крушение, но Гленарвану со спутниками удаётся собрать из его обломков самодельный плот и достичь на нём берега. Высадившись в Новой Зеландии, они решают добраться до ближайшего города. Этот путь очень опасен из-за войны между англичанами и местными аборигенами — людоедами маори. Отряд маори захватывает в плен путешественников, рассчитывая использовать их для переговоров с английскими войсками. Узнав о том, что их пленные казнены, дикари решают съесть путешественников, но тем удаётся бежать и добраться до восточного побережья, где они и находят «Дункан» под командованием Тома Остина. Как выясняется, прибыв в Мельбурн, Айртон отдал письмо помощнику капитана Тому Остину, который ознакомился с ним и тронулся в путь, но вовсе не в порт Иден, а к восточному берегу Новой Зеландии, так как Паганель неверно указал место прибытия. Айртон попытался подбить команду на бунт, и его взяли под стражу. «Дункан» крейсировал у берегов Новой Зеландии уже пять недель.

Гленарван решает вытянуть из Айртона всё, что тот мог знать о капитане Гранте, но тот наотрез отказывается отвечать. Гленарван грозит передать его английским властям, но Айртон по-прежнему хранит молчание. Наконец, благодаря стараниям жены, Гленарван заключает договор с Айртоном — тот соглашается говорить, и рассказывает о капитане Гранте всё, что ему известно, а лорд Гленарван высаживает его на каком-нибудь безлюдном острове в Тихом океане. Айртон действительно служил боцманом на «Британии», но, поссорившись с капитаном, решил поднять бунт и захватить судно. Бунт был подавлен, капитан Грант высадил Айртона на западном берегу Австралии. О гибели «Британии» он узнал только из рассказа Гленарвана. Айртон под именем Бена Джойса сделался атаманом шайки беглых каторжников, которые бежали из Пертской тюрьмы. Узнав о поисках капитана Гранта, он решил увести лорда Гленарвана подальше от судна, чтобы заманить «Дункан» в ловушку, перебить его экипаж и завладеть яхтой.

Лорд Гленарван остаётся верным своему слову и решает высадить Айртона на какой-нибудь пустынный остров. «Дункан» держит путь на остров Табор — единственную непосещённую землю на 37° южной широты, где путешественники и находят капитана Гранта.

Капитан Грант спасён и путешественники возвращаются в Англию. Мэри Грант выходит замуж за Джона Манглса, Паганель женится на сестре Мак-Наббса. Роберт поступает в мореходную академию. Айртона же, в надежде, что тот раскается в совершённых преступлениях, оставляют на острове Табор, где он проводит 12 лет — вплоть до событий романа «Таинственный остров».