影片围绕一位人类大兵的生活展开,讲述了沉睡的古代巨型怪兽被人们意外唤醒,醒来后的怪兽展现出强大的破坏能力,它的存在也震惊了世界。影片同时强调了原子弹对生物带来的直接影响。1954年,美国发现因为核武器而被唤醒、具有超强破坏力的巨兽“哥斯拉”,并试图使用核弹将哥斯拉消灭,然而最后只能哥斯拉使沉睡在太平洋深处。以后各国便联合展开所谓“帝王计划”,以研究彻底消灭怪兽之方法。1999年,菲律宾某矿区发生地震,参与“帝王计划”的学者芹泽市朗前往调查,在陷坑中发现了虫形怪兽“”的石化卵囊,还发现有只孵化的穆托已经逃逸。同年,日本一所核电厂,因为未知原因的地震引发辐射外泄,工程师乔·布罗迪的妻子遇难。15年后,乔·布罗迪的儿子福特,现为美国海军中尉,专长为拆弹爆破。某日,福特接到日方的来电,他的父亲因擅闯废核电厂管制区遭逮捕,需要亲人前往保释。原来乔15年来一直执著在辐射外泄真相的追查,为此与试图忘却丧母伤痛的福特渐渐疏远,妻子艾丽鼓励福特前往日本顺道修补父子关系。将父亲保释出后,福特在乔的说服下,两人前往废核电厂管制区寻找证据遗物,却赫然发现早已没有辐射污染。乔和福特顺利找到证物,却在归途中被军人抓捕,押送到核电厂废墟后面隐藏的一个基地。而这个基地是“帝王计划”的研究场所,研究一个穆托的蛹,并设法困住它。领队芹泽得知乔曾是核电厂的工程师,听闻乔和保安的对话,以及从他身上搜出的资料,发现他和乔怀疑的核电厂事故发生原因竟然相同,是以吸收核辐射为生的怪兽穆托所造成的。蛹内的穆托,一直以来有与外界周期性沟通的迹象,但不知作用为何。然而此时穆托发出的频率越来越频繁,芹泽只好启动电网,意图杀死穆托,然而失败。穆托发动电磁脉冲瘫痪了研究所内的电子设备,乔和福特也趁此机会顺利逃离。但在此时穆托破茧而出,毁坏了大半的研究所,混乱当中乔从高处摔下,送院途中不治身亡。而穆托朝着太平洋另一端振翅而去。发现怪兽出没的美国军方,已在太平洋周边进行防御部署。芹泽告知军方:以穆托的破坏力,人类的武器无法与之抗衡。恰巧因穆托与外界沟通期间,也侦测到哥斯拉苏醒的回应,芹泽大胆推断人类需借助哥斯拉的威力来消灭穆托。然而美军指挥官担心会伤及无辜,表示不予认同。在父亲身亡后,才知道了他说的属实的福特,也担心怪兽会对家人造成伤害,向军方贡献力量,借此顺道返回美国。而后美军以监督护卫的方式,跟随哥斯拉经过了遭穆托肆虐的夏威夷而到达美国本土内华达州;原来也有一只雌性穆托潜伏在美国内陆,以赌城附近的核废料场为生,与在日本的雄性穆托经过沟通联络上后,欲在旧金山会合而达到繁殖的目的。哥斯拉则侦测到穆托们的沟通而展开追击,以维持自然界的平衡。然而美军却打算以核弹引诱穆托,再以穆托引诱哥斯拉,打算借由核弹的爆炸威力同时杀死这三只巨兽。因为穆托的电磁脉冲能瘫痪电子军武,核弹的引爆装置被改成传统倒数器来替代。在用火车运送引诱用的核弹头时却被雌穆托劫车,而最后剩下的那颗核弹在海上的运送过程中被雄穆托抢走,赠予雌穆托,当作穆托幼体们的食物来源。 被穆托抢走的核弹由于倒数器未被停止,只剩数十分钟后会引爆,为了阻止爆炸,福特和其他军人从上空空投到战场上,希望能将核弹给拆解,避免核弹爆炸的威力波及数万人的生命。哥斯拉此时正在城市内和穆托战斗。美军找到核弹,但因倒数器坏掉无法拆解,只好将核弹带往一公里外的港边。此时福特准备以油罐车内的石油将穆托卵全数烧尽。当雌穆托看到自己的婴孩被烧成灰烬时,愤怒地要将福特杀死。而哥斯拉趁著这段空隙射出了两发原子吐息重击雌穆托。飞来救援的雄穆托则被哥斯拉用巨尾甩击打死在大楼上,但却因撞击的力道过强导致大楼坍塌,使的哥斯拉自己被大楼埋没。此时雌穆托打算摄取已被运到港口边的核弹内部辐射,并将反抗的军人们杀死。福特趁著雌穆托被其他军人吸引时,把放置核弹的船开往海上,但却再度被雌穆托给盯上。就在福特举起手枪打算做最后的抵抗时,雌穆托被再次出现的哥斯拉射入原子吐息。雌穆托在原子吐息的高温下被融断了脖子,哥斯拉将雌穆托的头部扔入海中,朝着天空发出胜利的吼叫,后缓缓倒下。随后失去意识的福特被救援队带离船上,并在朦胧中看到运出海外的核弹引爆。之后福特和他妻儿团聚,而本以为死去的哥斯拉却再度醒来,对着天空吼叫后,再次返回到大海。