Un savant, le docteur Samuel Fergusson, accompagné de son serviteur Joe et de son ami Dick Kennedy, chasseur professionnel, décide de survoler l'Afrique d'est en ouest – de Zanzibar et la lac Victoria jusqu'aux sources du Nil et à l'actuelle Saint-Louis du Sénégal – pour découvrir une région qui n'a pas encore été complètement explorée à l'époque. En vue de cette expédition, Ferguson a créé un ballon gonflé à l'hydrogène qui permet d'effectuer de longs trajets en autonomie.
Le roman suit les aventures de ces trois personnages atypiques : les dangers qui les menacent (chute du ballon, attaques d'animaux ou de sauvages...), leurs réflexions (sur les Noirs, l'esclavage et la peine de mort notamment), leurs espoirs (en premier lieu, que leur voyage serve à augmenter les connaissances humaines).