1954年，美国发现因为核子武器而被唤醒、具有超强破坏力的巨兽“哥斯拉”，并试图使用原子弹将其消灭，然而最后仅能使其沉睡于太平洋深处。此后各国便联合展开所谓“君主计划”，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“君主计划”的学者芹泽猪四郎前往调查，怀疑并非因地壳变动所引发，在陷坑中发现了虫形怪兽“穆透”的石化卵囊，还发现有只孵化的穆透已经逃逸。

日本一所核电厂，因为不知原因的地震引发辐射外泄，美国工程师乔·布罗迪的妻子任职于此核电厂，因而遇难。

15年后，乔·布罗迪的儿子福特，现为美国海军上尉，专长为拆弹爆破。他居住在旧金山，与担任护士的妻子艾丽育有一子。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年来一直执著于辐射外泄真相之追查，为此与试图忘却丧母伤痛的福特渐渐疏远，艾丽鼓励福特前往日本顺道修补父子关系。

电影哥斯拉剧照

将父亲保释出后，原本福特还是不能接受乔偏激的行为，但在乔的说服下，两人再度前往废核电厂管制区寻找证据遗物，发现早已没有核辐射。乔等人被军人抓捕，押送到核电厂废墟后面隐藏的一个基地。基地原来是在过去这些年间一直致力于研究一个穆透的蛹。领队芹泽得知乔曾是核电厂的工程师，交谈后发现原来两人怀疑核电厂事故的发生原因竟然相同：以吸收核辐射为生的怪兽穆透所造成的;研判目前躲藏在废核电厂的穆透，有周期性与外界沟通的迹象，但不知作用为何。在两人前往查看途中，穆透突然孵化，并朝太平洋另一端飞去。混乱当中乔从高处摔下，送院途中不治身亡。

发现怪兽出没的美国军方，早已在太平洋周边进行防御部属。芹泽告知军方以穆透的破坏力，人类的武器无法与之抗衡。恰巧因穆透与外界沟通期间，亦侦测到“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“穆透”。然美军指挥官担心会伤及无辜，表示不予认同。在父亲身亡后，才了解其所言属实的福特，也担心怪兽会对家人造成伤害，欲向军方贡献己力，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透肆虐的夏威夷而到达美国本土内华达州;原来亦有一只雌性穆透，潜伏在美国内陆，以赌城附近的核废料场维生，与在日本的雄性穆透经过沟通联络上后，欲在旧金山会合而达到繁殖的目的，哥斯拉也因为侦测到穆透的活动而主动追击，以维持自然界的平衡。

美军试图使用核子武器攻击，但在发射之前穆透抢到了核弹当食物。哥斯拉及时赶到协助消灭穆透，在经历无数民众伤亡及广大建筑物损毁的惊心动魄战斗下，哥斯拉终于打败了这一对穆透，福特也趁机将核弹在爆炸前运出旧金山市区。在解除危机后，大自然的守护神也自行返回大海继续沉睡。