Корабль имеет веретенообразную форму, его длина составляет 70 м, а ширина — до 8 м. Подводное водоизмещение корабля составляет 1500,2 т, надводное — 1356,48 т (9/10 от подводного). «Наутилус» имеет два корпуса, один наружный, другой внутренний; они соединены между собой железными балками, имеющих двутавровое сечение, которые придают судну чрезвычайную прочность, заклёпочные соединения заменены сваркой.

Двойная обшивка корабля изготовлена из листовой стали, удельный вес которой равен 7,8 т/м³. Толщина наружной обшивки не менее 5 см, киль — 50 см в высоту и 25 см в ширину.

Также при описании конструкции Немо говорит о горизонтальных рулях, находящихся посередине корпуса по бокам и используемых для управления глубиной погружения и, в частности, при необходимости погружений на максимальную глубину (их использование демонстрируется в эпизоде, когда «Наутилус» погружается на 16 километров в Атлантическом океане).

Нос венчает главное оружие корабля — таран, имеющий в поперечнике форму равнобедренного треугольника. В корме находится гребной винт диаметром 6 метров, его максимальная частота вращения — 120 об/мин.

В верхней части выступают 2 надстройки — рубка и чуть позади неё кабина для прожектора с рефлектором; перед атакой «Наутилуса» они утапливаются в корпус. Посередине располагается шлюпка, которая крепится к корпусу корабля несколькими болтами, а сверху её прикрывает легко разбираемый навес. Также вдоль «палубы» установлено ограждение, которое перед атакой убирается в корпус.

По обоим бортам расположены большие овальные иллюминаторы, для остекления которых (а также рубки и кабины прожектора) использован хрусталь толщиной 21 см. Для погружения и всплытия используются балластные цистерны объёмом 150,72 м³, их наполнение и продувка осуществляется через 2 крана, расположенных в кормовой части корабля, причём насосы для продувки цистерн настолько мощные, что обеспечивают всплытие с глубины до 2 км.

Так, в романе описывается эпизод, когда насосы выбросили остатки воды из балластных цистерн на высоту около 40 метров. Все двигатели на корабле — электрические, источником электроэнергии являются сверхмощные натриевые батареи.

Максимальная скорость — 50 узлов, максимальная глубина погружения — не менее 16 километров. Для получения из морской воды пресной на «Наутилусе» используется установка для дистилляции.

Отсутствие системы регенерации воздуха (Немо посчитал её излишней) и необходимость регулярной вентиляции лишают корабль полной автономии (максимальная продолжительность погружения «Наутилуса» — около 5 суток).