Londres, 1899. Um grupo, comandado pelo cérebro Fantasma, fazendo uso de uma máquina diabólica e revolucionário, uma espécie de tanque com lagartas muito sofisticado para a época, assalta o Banco de Inglaterra, roubando um conjunto de pergaminhos contendo os planos de construção de uma cidade subaquática. Dos guardas que acorrem ao Banco, o grupo brutal deixa vivo apenas Dunning, viúvo e pai de um menino de seis anos.
Hamburgo, fábrica dos zepelins: o grupo do Fantasma, disfarçado de soldados ingleses, ataca a fábrica, rapta o cientista alemão Karl Draper e queima grande parte dos trabalhadores.
Sanderson Reed desloca-se ao Quémia na tentativa de convencer Alão Quatermain a socorrer a rainha e o império britânico. Alão não está interessado na empreitada, até que quatro assassinos chegam também ao Clube Brittania, assassinam o amigo que se faz passar por Alão e fazem explodir o Clube. Alão extermina os quatro indivíduos.
Em Londres, há uma reunião parcial da Liga de Cavalheiros Extraordinários, que será constituída na totalidade por Quatermain, capitão Nemo, Dr. Jekyll e Mr. Hyde, Rodney Skinner, o «novo» Homem Invisível, Dorian Gray e o seu imortal e diabólico retrato, Mina Harker, a vítima sobrevivente do falecido conde Drácula, e um agente dos Serviços Secretos Americanos chamado Tom Sawyer. É-lhes revelado, por M, que o «Fantasma» criou máquinas diabólicas, para o que raptou diversos génios de diferentes áreas, e que se vai realizar uma reunião dos líderes da Europa, em Veneza, para resolver a situação. É natural que o Fantasma, sabedor da reunião, procure aniquilá-la.
O grupo dirige-se à residência de Dorian Gray para o convencer a integrá-lo, mas aquela é invadida pelas tropas do Fantasma. No entanto, graças ao agente Tom Sawyer, disfarçado entre os homens do Fantasma, o grupo liquida os seus inimigos; apenas aquele consegue fugir. Durante a batalha, revelam-se os especiais talentos de Gray, invulnerável à passagem do tempo e aos ferimentos, e de Mina Harker, afinal uma vampira. Recorde-se que quem envelhece por ele é o seu quadro.
A caminho de Veneza, no submarino de Nemo, alguém procura fotografar os segredos do engenho naval e roubar a fórmula do Dr. Jekyll; depois de muito refletirem sobre os planos de construção de Veneza, da autoria de D Vinci, Quatermain, Sawyer e Nemo concluem que o Fantasma afinal quer afundar a cidade, fazendo explodir os pilares em que assenta e dar, assim, início a uma guerra mundial.
Para impedir a continuação do desmoronamento dos edifícios em efeito dominó, Nemo lança um rocket sobre um teatro, enquanto os companheiros lutam na cidade contra os homens do Fantasma, que é perseguido nas ruas por Quatermain. A luta entre ambos ocorre num cemitério de Veneza: o Fantasma esfaqueia-o num ombro e consegue escapar, não sem que antes este lhe arranque a máscara da cara com um murro e revele a sua identidade - M.
O primeiro a regressar ao navio é Gray, que se identifica perante Ismael, o imediato, como o misterioso traidor e depois mata-o a tiro. Num derradeiro esforço, Ismael arrasta-se até junto da Liga, todos entretanto regressados, e revela o que sucedeu. Entrementes, Gray foge na cápsula de exploração do navio, apanhando também o Fantasma e Dante, o seu braço direito. Sanderson Reed, obviamente, é um dos lacaios de M.
O Nautilus inicia a perseguição ao nautiloide. Pouco depois, é descoberta uma gravação em disco pertencente a M, na qual este anuncia que a sua verdadeira intenção foi juntá-los todos para, através de Gray, recolher os respetivos segredos e amostras do sangue e das células, para poder construir um exército de réplicas suas. Além disso, Gray deixou três bombas a bordo, ligadas a detetores cristalinos, acionados por um som não acessível ao ouvido humano proveniente no gramafone. Acionados os sensores, as bombas explodem a bordo do Nautilus. Só graças à transformação de Jekyll em Hyde é possível selar os compartimentos inundados, pôr as bombas que escoam a água a funcionar e trazer o Nautilus, muito danificado, à superfície. Tom Sawyer tem também um motivo pessoal para perseguir o Fantasma: este assassinou Huck Finn, outro agente dos Serviços Secretos americanos que o perseguiam.
A Liga está desanimada, quando do nautiloide chega uma mensagem em morse, enviada por Skinner, o homem invisível, que se escondeu a bordo e lhes envia as coordenadas do local por onde se desloca M e o seu grupo.
A fortaleza de M situa-se nas terras geladas da Mongólia, onde a Liga reencontra Skinner, que lhes conta que M já construiu oito navios semelhantes ao Nautilus e que colocou os cientistas raptados a criar réplicas dos elementos da Liga a partir das amostras recolhidas por Gray. Parte da Liga penetra na fortaleza e liberta os familiares aprisionados dos cientistas raptados, enquanto Skinner coloca três bombas em áreas sensíveis da fortaleza.
Sawyer e Quatermain penetram no quarto de M que, afinal, é o professor James Moriarty, o arquirrival de Sherlock Holmes, e aprisionam-no, mas Eva Draper, a filha de um dos cientistas raptados, irrompe pelo quarto, tentando assassinar o malévolo Moriarty, que aproveita o incidente para se esgueirar.
A batalha entre Mina Harker e Gray termina: ela empala-o com a espada contra uma parede e mostra-lhe o seu retrato, visão essa que constitui a única forma de liquidar o vaidoso Dorian. Ao contemplar o seu próprio retrato, Gray envelhece rapidamente e morre, enquanto o retrato representa o jovem Dorian que Minha tinha amado.
Dante bebe um frasco da poção roubada ao Dr. Jekyll e transforma-se num monstro de três metros, Entretanto as bombas colocadas pelo homem invisível explodem e Dante é empalado por estilhaços incandescentes provenientes das explosões, acabando esmagado pelas pedras que lhe caíram em cima quando o efeito da poção se esgota.
Moriarty obriga Quatermain a render-se por breves instantes quando Sanderson Reed, invisível, aprisiona Sawyer com uma faca encostada ao pescoço. Quatermain vira-se rapidamente e espeta a sua face na forma invisível de Reed, mas Moriarty aproveita esse momento em que o explorador está de costas e apunhala-o.
Moriarty, ou M, ou o Fantasma, foge, mas Sawyer, incentivado pelo moribundo Quatermain, abate-o com um tiro solitário. Depois, o explorador expira pela derradeira vez.
Terminada a batalha, chega um batalhão de soldados ingleses e americanos. Um elemento dos Serviços Secretos britânicos comunica-lhes a intenção da rainha constituir uma Liga real, mas os seis heróis recusam e partem, no Nautilus, para África, para aí sepultar Quatermain junto do filho. Ah, Skinner afinal é também um elemento dos Serviços Secretos ingleses.