Le professeur tchèque Jan Benes, seul savant au monde détenant la formule permettant de donner au corps humain des proportions microscopiques pendant plus d'une heure, tombe victime d'un attentat. Gravement blessé au cerveau, les savants américains décident de le traiter « de l'intérieur » en introduisant dans son corps un groupe de médecins « miniaturisés ». C'est ainsi que le docteur Duval, sa jeune assistante Cora et le docteur Michael prennent place à bord d'un sous-marin expérimental dû aux travaux du général Carter et dirigé par le capitaine Owens, assisté de Grant, un officier des services secrets américains. Une fois réduits avec leur navire à des proportions microscopiques, les cinq pionniers sont « injectés » dnns la veine jugulaire du blessé à l'aide d'une seringue. Et commence alors le voyage fantastique. Vaisseaux sanguins, artères, poumons, coeur, etc, posent des problèmes considérables, et les savants « miniaturisés » sont plus d'une fois menacés de périr sous les assauts des anticorps émis par l'organisme réagissant à leur intrusion. Muni d'un laser, le docteur Duval et son assistante quittent le sous-marin pour aborder directement la région blessée du cerveau et l'opérer en toute hâte, car, dans six minutes, l'effet de la « miniaturisation » sera aboli ! Au moment crucial, la présence d'un traître se révèle qui périra dans le sous-marin détruit par une explosion. C'est par le conduit du nerf optique que les savants regagnent la pupille de l'opéré, et sont recueillis dans une larme captée par les observateurs angoissés, qui assistent muets d'admiration au retour de ces courageux pionniers de la science.