Le roman sert de prétexte à la description du milieu marin. Jules Verne s'appuie sur les connaissances scientifiques de son époque, mais il fait également œuvre d'anticipation en imaginant la possibilité de descendre à des profondeurs encore inexplorées à cette date.
L'océanographie, la biologie marine, l'ichtyologie, dont Jules Verne fournit au fil des pages quelques descriptifs précis. La vision des océans vidés de leurs poissons et de leurs mammifères et « encombrés de méduses » est devenue une réalité du début du XXIe siècle.
L'embranchement des zoophytes offrait de très curieux spécimens de ses deux groupes des polypes et des échinodermes. Dans le premier groupe, des tubipores, des gorgones disposées en éventail, des éponges douces de Syrie, des isis des Moluques, des pennatules, une virgulaire admirable des mers de Norvège, des ombellulaires variées, des alcyonnaires, toute une série de ces madrépores que mon maître Milne-Edwards a si sagacement classés en sections, et parmi lesquels je remarquai d'adorables flabellines, des oculines de l'île Bourbon, le “char de Neptune” des Antilles, de superbes variétés de coraux, enfin toutes les espèces de ces curieux polypiers dont l'assemblage forme des îles entières qui deviendront un jour des continents.
Les Sous-marins : le roman est également prétexte à anticiper à partir de la technologie de l'époque en décrivant un sous-marin infiniment plus performant que les modèles qui existaient lorsque Jules Verne écrit son roman. Ainsi nommé en hommage au Nautilus, mis au point en 1797 par l'ingénieur américain Robert Fulton, il marche à l'électricité, qu'il produit en utilisant les ressources minérales que le milieu marin offre généreusement au capitaine Némo. Dans la réalité, il faudra attendre trente ans après la parution du roman pour voir apparaître le Narval, premier sous-marin opérationnel qui utilise une propulsion mixte, machine à vapeur et électricité. Le premier sous-marin nucléaire est nommé USS Nautilus (SSN-571) et est inauguré en 1954.
La plongée sous-marine, le Scaphandre autonome, la chasse sous-marine : Jules Verne cite notamment les noms de Benoît Rouquayrol, Auguste Denayrouze, Heinrich Daniel Ruhmkorff, Cowper Phipps Coles (qu'il nomme Philippe Coles). L'imprécision orthographique rend parfois la tâche des historiens difficile, ainsi ce chimiste autrichien Leniebroek que les spécialistes et amateurs cherchent à identifier.
Les personnages
Le roman s'intéresse à un nombre relativement restreint de personnages.
Pierre Aronnax
Professeur-suppléant au Muséum d'histoire naturelle de Paris, c'est le narrateur du roman. Quadragénaire, spécialiste de minéralogie, de botanique et de zoologie, il pose sur les choses un regard à la fois averti et curieux qui explique les nombreuses digressions scientifiques du roman. Auteur d'un ouvrage à succès, Les Mystères des grands fonds sous-marins, il aura l'occasion, avec Conseil, de faire étalage de ses connaissances en ichtyologie. Il a pratiqué la médecine avant son entrée au Muséum d'histoire naturelle de Paris.
Conseil
Son domestique, est à trente ans, selon Aronnax un brave Flamand [..] un être flegmatique par nature, régulier par principe, zélé par habitude, s'étonnant peu des surprises de la vie, très adroit de ses mains, apte à tout service, et, en dépit de son nom, ne donnant jamais de conseils. À force de côtoyer les savants du muséum, Conseil est devenu un spécialiste de la classification des espèces. Jules Verne lui a donné le nom de l'ingénieur Jacques-François Conseil, inventeur d'un bateau semi-submersible, dont il avait fait la connaissance dans les années soixante.
Ned Land
Est un canadien-français, une sorte de géant colérique, harponneur à bord de l' Abraham Lincoln de la marine américaine, chasseur de baleines émérite et grand conteur (Le narrateur le qualifie d'Homère canadien). Il s'attache à Pierre Aronnax avec lequel il peut parler français et apporte des compétences pratiques qui complètent les connaissances théoriques du savant. Son nom, Land, en anglais Terre, est ironique pour un marin. Il cherche constamment à s'évader du Nautilus et apprécie peu la nourriture aquatique qu'on y sert.
(Dont le nom signifie en latin personne au sens négatif, allusion à Ulysse et Polyphème dans l'Odyssée) est un personnage savant, mais sombre et secret qui dit avoir renoncé à la société des hommes, et coupé tout lien avec la terre. Il contribue pour beaucoup aux exposés scientifiques qui émaillent la narration. On le voit aider les insurgés crétois contre l'Empire ottoman en 1866-1867 en leur livrant les trésors engloutis qu'il retrouve. Il montre également une haine implacable pour les navires portant un certain pavillon, qu'il coule systématiquement pour venger sa famille (mais la nature de ce pavillon ne sera jamais précisée dans l'ouvrage). Jules Verne voulait en faire un Polonais dont la famille aurait été victime de l'oppression russe, mais son éditeur s'y opposa.
L'équipage du Nautilus reste dans l'ombre, si bien que seul le second du capitaine apparaît de temps en temps, ce qui ajoute d'autant plus de mystère à l'énigmatique vaisseau.