1999年、フィリピンでの炭鉱崩落事故を調査中の芹沢猪四郎博士らは、炭鉱の深部で巨大な恐竜のような生物の化石を発見する。
化石には別種の生物の繭が寄生しており、付近には巨大な何かがはい出たような痕跡が残っている。
一方、日本の雀路羅（じゃんじら）市にある原子力発電所に勤務する核物理学者のジョー・ブロディは、
原子炉直下で発生する不可解な地震について調査を要請する。
ジョーの妻で技師のサンドラが原子炉の安全確認に向かうが、突如起こった巨大な揺れによって原子炉が暴走し、
原発は倒壊した。

15年後、ブロディ夫妻の息子でアメリカ海軍爆弾処理班のフォードは、
父のジョーが日本で警察に逮捕されたという知らせを受ける。ジョーは妻の命を奪った原発事故の真相を探るべく、
立入禁止区域となった原発跡地に侵入し逮捕されていた。
原発跡で15年前と同じ事態が起きつつある兆候を察知したジョーは、
フォードと共に禁止区域へ再侵入し実家に残されたデータを回収するも、付近をパトロールしていた武装集団に捕まり、
原発跡地内の研究施設へ連行される。

施設内にはかつての地震の原因となった巨大な繭があり、「モナーク」と称する秘密機関が調査を行っていたが、
すでに繭は羽化を開始していた。羽化した生物は研究施設を破壊して東へ飛び去り、
施設の倒壊に巻き込まれたジョーは命を落とす。芹沢らはジョーの遺した情報を持つフォードとともに
原子力空母「サラトガ」にて「ムートー」と名付けられた巨大生物を追う。
モナークの目的は、ペルム紀末の大量絶滅を生き延びた太古の巨大生物「ゴジラ」を研究し、
その存在を社会から隠蔽する事だった。芹沢はムートー排除のためゴジラも再び現れると推測する。

ムートーは洋上でロシア海軍アクラ型原子力潜水艦を襲い、その核燃料を捕食するためオアフ島に上陸する。
怪獣はホノルル市街に侵攻し米軍と交戦するが、間もなくしてそこにムートーを追って来たゴジラが60年ぶりに地上に姿を現す。
両者は空港で対峙するがムートーは飛行して逃亡、それを追うゴジラも海へ消えた。

一方、アメリカのユッカマウンテン放射性廃棄物処分場に保管されていたフィリピンの繭から新たなムートーが羽化し、
ラスベガスを破壊しさらに西へと進行する。

サンフランシスコ湾で3体の怪獣が衝突すると推測する軍指揮官のステンツ提督は、
芹沢の反対を押し切って戦略核兵器の使用許可を得る。
弾頭には電磁パルスの影響を受けないアナログ式の時限装置を使用し、3匹の怪獣を太平洋上へ誘引し、
殲滅する作戦が実行されることになった。米軍は2基の核弾頭を列車でサンフランシスコへ輸送しようと試みるが、
雌のムートーの襲撃を受けて弾頭1基を飲み込まれてしまう。
もう1基の弾頭はサンフランシスコ湾内への輸送には成功するものの、海上で雄のムートーに奪われ、
雌がサンフランシスコ市街地に築いた巣へ運ばれる。弾頭の起爆装置は既にカウントダウンを開始しており、
数時間後には逃げ遅れた市民が核爆発に巻き込まれてしまう。
フォードは弾頭起爆阻止を目的とした軍の部隊に参加し、HALO降下によってサンフランシスコ市内へ突入する。

湾内に浮上したゴジラはゴールデンゲートブリッジを破壊し市街地へ侵攻。
ゴジラはフォードの妻のエルが勤める病院の近くで2体のムートーと交戦する。
その傍らでフォードたちは弾頭を発見するが、その破損状態は激しく時限装置を停止させることが出来ない。
部隊は船で弾頭を洋上へと持ち去り、少しでも市街地から引き離す作戦に移行する。
一方フォードはムートーが既に巣に無数の卵を産み付けていることに気付き、
横転しているタンクローリーのガソリンを利用し巣全体を爆破する。

ゴジラは二体のムートーの連携攻撃に苦戦を強いられていたが、
巣が爆破されたことに気を取られた雌のムートーが戦闘を放棄したことで形勢が逆転、
熱線を放ち雌のムートーを一時的に戦闘不能にし、さらに襲ってきた雄のムートーを強烈な尻尾の一撃で倒す。
一方で核弾頭を奪われたことに気付いた雌のムートーが復活し部隊を壊滅させ、更にフォードに迫るが、
追って来たゴジラに熱線を放たれ絶命する。エネルギーを消耗したゴジラはその場に崩れ落ちた。
核弾頭はフォードによって小型船で洋上へ運ばれ、遥か遠くの沖合いで大爆発した。

翌朝、フォードは避難所のコロシアムに訪れ、そこで家族との再会を果たす。
一方で、瓦礫の中で死んだと思われていたゴジラが覚醒し、海へ戻り始めた。
万感の思いで見つめる芹沢らを背に、ゴジラは咆哮を上げ海中へと姿を消していったのであった。