L'ingénieur Cyrus Smith, son domestique Nab, Gédéon Spilett, Pencroff, le jeune Harbert et Top, le chien de Smith, fuient en ballon dirigeable Richmond, quartier général de l'armée sudiste où en tant que nordistes, ils étaient retenus prisonniers. Le ballon finit par s'écraser sur une île au large de la Nouvelle-Zélande où les rescapés vont s'organiser en une micro-société de Robinson Crusoé, aidés par la découverte d'une boîte remplie de munitions et d'outils.
A bord d'un petit bateau construit par leurs soins, ils explorent l'île toute proche, où ils trouvent Ayrton (personnage des Enfants du capitaine Grant), naufragé vivant dans des conditions déplorables, qu'ils emmènent sur leur île. Une tempête les surprend, et ils ne doivent leur salut qu'à un feu allumé par on ne sait qui, grâce auquel ils sont en mesure de se repérer. Les anciens camarades d'Ayrton, des pirates, surviennent peu après et manquent de tuer les naufragés. Leur bateau pirate est détruit sans aucune explication logique, et plus étrange encore, les corps des pirates morts ne présentent aucune blessure. Autre singularité, Harbert contracte une maladie dont l'apparition inexpliquée d'une bouteille de sulfate de quinine le sauvera.
Qui est cette puissance mystérieuse qui les protège ?

Dans le cycle des Voyages extraordinaires, les romans de la science, périples dans les contrées inconnues comme dans les méandre du progrès, L'Île Mystérieuse, s'interesse plus que jamais à la lutte que l'homme entreprend pour se rendre maitre et possesseur de la nature.

Plus qu'un roman d'initiation, L'Île mystérieuse est peut-être l'histoire de l'homme confronté aux multiples et inéluctables épreuves qui lui donnent sa place dans l'univers.

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Les personnages de ce roman sont tous unis dans un même combat qu'est la survie dans un monde inconnu et hostile. Leurs savoir-faire sera utilisé comme il se doit.

Rien ne leur parait impossible tant que Cyrus Smith est à leur côté.

Extrait :

— Mais, je vous répète que nous n’avons plus de feu !

— Peuh !

— Ni aucun moyen de le rallumer.

— Baste !

— Pourtant, monsieur Spilett…

— Est-ce que Cyrus n’est pas là ? répondit le reporter. Est-ce qu’il n’est pas vivant, notre ingénieur ? Il trouvera bien le moyen de nous faire du feu, lui !

— Et avec quoi ?

— Avec rien. »

Qu’eût répondu Pencroff ? Il n’eût pas répondu, car, au fond, il partageait la confiance que ses compagnons avaient en Cyrus Smith. L’ingénieur était pour eux un microcosme, un composé de toute la science et de toute l’intelligence humaine ! Autant valait se trouver avec Cyrus dans une île déserte que sans Cyrus dans la plus industrieuse villa de l’Union. Avec lui, on ne pouvait manquer de rien. Avec lui, on ne pouvait désespérer. On serait venu dire à ces braves gens qu’une éruption volcanique allait anéantir cette terre, que cette terre allait s’enfoncer dans les abîmes du Pacifique, qu’ils eussent imperturbablement répondu : « Cyrus est là ! Voyez Cyrus ! »

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Le rôle de la science dans la survie sur cette île est prédominant.

- Ils allument le feu sans allumette ni silex
- Réussissent à situé la position de l'île
- Construisent un four à poterie
-Fabriquent de la nitroglycérine
-Travaillent le fer 
- Fabriquent des bougie
- Construisent un ascensseur hydraulique
- Installe le télégraphe sur l'île
Fabriquenr des vitres

Cyrus Smith est secondé par le jeune Harbert dont les connaissances encyclopédiques dans le domaine de la botanique et dans les sciences naturelles  sont d'une utilité incontestable.