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.

Долгота места высадки капитана Грант и его матросов, остаётся неизвестной, но его можно найти, если проследовать вдоль всей 37 параллели через моря и материки. Яхта направляется через Атлантический океан к берегам Южной Америки, проходит через Магелланов пролив и следует по Тихому океану до Патагонии, к месту её пересечения с 37 параллелью. «Дункан» высаживает лорда Гленарвана, Мак-Наббса, Паганеля, Роберта Гранта, помощника капитана Тома Остина и двух матросов на западном берегу Южной Америки, с тем, чтобы обойдя мыс Горн принять их на восточном, у мыса Коррьентес. Отряд Гленарвана пересекает Патагонию, следуя по 37 параллели, но не находит никаких следов капитана, и, дойдя до восточного побережья Южной Америки, возвращается на ожидающий его «Дункан».

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».