En el film anterior, se había conseguido derrotar a un nuevo Godzilla gracias a un gigantesco robot muy similar al monstruo: el Mechagodzilla o Kiryu, que ahora está en proceso de reparación. Mientras tanto, las diminutas gemelas de la Isla Infante (hogar de Mothra) proporcionan al doctor Chujo una información de vital importancia: Kiryu ha sido construido con los huesos del Godzilla original, y el espíritu del monstruo no descansará hasta que sus restos regresen al mar. Chujo se pone en contacto con el Gobierno para que destruyan el proyecto Kiryu, porque Mothra, en cuanto reaparezca Godzilla, defenderá de nuevo el Japón, pero ministros y militares desoyen la advertencia. Y el gigante verde vuelve a aparecer en Tokio, desatando una oleada de destrucción. Pronto tendrá lugar el enfrentamiento entre Godzilla y Mothra, que cuenta con la ayuda del robot gigante, aunque no está totalmente reparado.

Mothra viaja al pasado, en un último intento, por derrotar al poderoso monstruo que amenaza con destruir Japón.

Para proteger el país del monstruo Godzilla, el gobierno japonés crea un robot gigante pilotado por seres humanos: Mekagodzilla, un símil del propio monstruo. Para ello utilizan el esqueleto del Godzilla original, que atacó por primera vez en 1954.

Los Xillian, una raza alienígena, inicia la invasión de la Tierra, primero mediante engaños y después abiertamente, sirviéndose de un pequeño ejército de monstruos gigantes. Solo un grupo de resistencia formado por miembros de la EDF (Earth Defense Force) podrá hacerles frente. Pero para derrotar a los monstruos deberán despertar de su letargo en la Antártida a la peor amenaza que jamás haya conocido la humanidad, pero que ahora podría ser la última esperanza de salvación: el Rey de los Monstruos, Godzilla.

En su búsqueda de alimento radioactivo, Godzilla ha destruido ciudades y plantas nucleares Japonesas a lo largo de la segunda mitad del siglo XX. Para detenerlo, se creó el Cuartel G-War, un centro de investigación apoyado por el equipo de combate G-Graspers. Su última arma, el Dimension Tide, tiene como objetivo encerrar a Godzilla en el interior de un Agujero Negro.

Godzilla combate contra un misterioso platillo volante, que luego se transformará en un enorme monstruo llamado Orga. La batalla final transcurrirá en Shinjuku, un suburbio de Tokio, donde nuestro héroe aprovecha de estrenar su nuevo rayo atómico.