Embora Trevor (interpretado por Brendan Fraser) seja professor de geologia na universidade, frequentemente desafia as tradições. Ele acredita que os romances de Júlio Verne não são ficção científica, mas sim relatos de factos reais. Esta teoria contrária às convenções fez dele o alvo de troça na academia, arruinando a sua reputação académica. No entanto, Trevor não dá importância a isso, mantendo-se firme na convicção de que a sua teoria está correcta. Para a comprovar, ele leva o seu sobrinho Sean (interpretado por Josh Hutcherson) e uma guia local, Hannah (interpretada por Anita Briem), numa viagem pela Islândia. Durante a expedição, os três descobrem acidentalmente uma caverna peculiar e, ao explorá-la, atravessam uma fina camada de gelo e caem num abismo sem fim. Ao despertarem, deparam-se com um mundo misterioso no centro da Terra, repleto de criaturas extraordinárias, exactamente como as descritas nos romances de Verne. Finalmente, encontraram a prova, mas como trazê-la de volta à superfície? Trevor e os seus companheiros embarcam numa jornada em busca de uma saída...