Au cours de l'été 1930, à bord d'un navire voguant près de l'île de Nonsuch dans l'Atlantique, la biologiste marine Gloria Hollister est assise sur une caisse, écrivant furieusement dans un carnet de notes, un récepteur téléphonique pressé contre son oreille. La ligne est reliée à un câble d'acier qui plonge sous la mer. Là, suspendue par le câble, une boule d'acier appelée la "bathysphère". A l'intérieur, William Beebe, collègue de Hollister, contemple le monde sous-marin à travers des fenêtres en quartz.
Il communique à l'extérieur ce qu'il voit, des créatures inédites, des explosions de bioluminescence et d'étranges effets de lumière et de couleur. Le livre de la bathysphère raconte la fabuleuse aventure de ces pionniers de la recherche sous-marine, dont l'histoire tient de l'album de Tintin et du documentaire de Cousteau. Alors que les premiers gratte-ciel s'élèvent au-dessus de New York, des personnages, scientifiques courageux, authentiques aventuriers, plongent au fond des océans.