Denis Borel, narrator powieści, otrzymawszy spadek, wyniósł się z Paryża na prowincję. Wiedzie samotnicze z wyboru życie, oddając się grze na skrzypcach. Przypadkowo poznaje doktora Omegę, odkrywcę repulsitu, metalu, który wbrew prawu powszechnego ciążenia nie jest przyciągany przez inne ciała, ale przeciwnie – odpychany. Wykorzystując swe odkrycie, doktor planuje skonstruować pojazd kosmiczny i polecieć na Marsa. Zafascynowany odkryciem i osobowością starego uczonego, Denis przystaje na propozycję wzięcia udziału w wyprawie z Omegą i jego służącym Fredem. Pocisk kosmiczny, nazwany „Kosmosem”, został tak skonstruowany, że umożliwia poruszanie się na wodzie i pod nią oraz po lądzie. Po 17-dniowej podróży „Kosmos” woduje w marsjańskim morzu. Posługując się nim jako łodzią podwodną, podróżnicy obserwują niezwykłą podwodną florę i faunę. Gdy docierają do lądu, okazuje się, że planetę zamieszkują rozumne istoty – małe i delikatnej budowy, co wiąże się z nikłym w porównaniu z Ziemią przyciąganiem. Uczestnicy wyprawy bez trudu odpierają ich atak, po czym ukrywają repulsitową powłokę w podwodnej jaskini. „Kosmosem”, służącym teraz jako auto, docierają do obszarów zamieszkanych przez Marsjan o wysokim poziomie cywilizacji. Zostają schwytani, a ich pojazd napastnicy niszczą. Ziemianie stają przed władcą Marsjan, Wielkim Razaju, który zmienia ich status z więźniów na gości. Ciesząc się względną swobodą, dyskretnie pilnowani przez gospodarzy, poznają język i życie Marsjan. Równocześnie doktor Omega nie przestaje myśleć o sposobie powrotu na Ziemię. Okazuje się, że Marsjanie rekompensują swą znikomą siłę fizyczną imponującym rozwojem techniki. Za zgodą Razaju ich inżynierowie sporządzają według planów doktora wierną kopię „Kosmosu”. W tym czasie uczony konstruuje telegraf, by poinformować mieszkańców Ziemi o losie uczestników wyprawy. Omega, Borel i Fred uciekają swym strażnikom i jadą „Kosmosem 2” po ukrytą w podwodnej jaskini repulsitową powłokę, która umożliwi im powrót na Ziemię. Gdy okazuje się, że powłoka zniknęła, wracają do państwa Wielkiego Razaju. Władca rozkazuje zniszczyć „Kosmos 2”, a swoboda poruszania się Ziemian zostaje drastycznie ograniczona. Podróżnicy liczą jeszcze na telegraf, zwłaszcza odkąd wreszcie udaje się nawiązać kontakt z angielskim uczonym Helvetiusem. Gdy jednak Marsjanie niszczą telegraf, więźniowie tracą wszelką nadzieję powrotu na Ziemię. Na szczęście Helvetius odebrał wiadomość Omegi z instrukcją, jak zbudować pocisk i uzyskać repulsit. Kierowana przez angielskiego uczonego wyprawa przybywa na Marsa „Kosmosem 3” i bezpiecznie przywozi na Ziemię trzech podróżników.