1954年，美軍在比基尼島所進行的核爆實驗將方圓幾百裡內的島嶼均夷為平地，一隻即將上岸的龐然大物也在核爆後銷聲匿跡。1999年，隸屬負責探索古老生物的秘密組織“君主計劃”（Project Monarch）的日裔科學家芹澤豬四郎與助手薇薇安·葛拉罕，到菲律賓調查一座發生地陷的採礦場，於地下勘驗時找到一組巨大古老生物化石，並發現化石旁邊寄生著兩個具有放射性的巨型細胞蛹；
一個處於休眠狀態，另一個已經破殼釋出一種生物並逃入太平洋，其順著洋流游到日本雀路羅市的核電站地底下，獲取核輻射作為食物來源。但它突破時所造成核洩漏，導致核電站裡的美籍核工程師喬·布洛迪目睹同事兼妻子珊卓和她的隊伍被困在反應堆中赴死，而雀路羅市很快就被軍方封鎖變成核輻射隔離區。
十五年後，喬與珊卓的兒子福特參軍當上美國海軍爆炸品處理課中尉，得到休假回到美國舊金山和妻小艾兒和山姆團圓，偶然得知喬因為私闖雀路羅市隔離區而被逮捕，其自從妻子身亡後開始走火入魔地調查核事故真相。福特到東京將喬保釋，喬表示自己私闖禁地只是想回到老家房子，拿到當年的核電站震源的資料資料來證明觀點，最後堅持說服福特和他再次回去。
於是，父子倆冒險回到雀路羅市，首先發現內部輻射已被淨空，雖然成功回到老家拿回資料，但走前還是被巡邏隊抓捕。父子倆被帶至昔日的舊核電站，該地區已被君主計劃建立基地，而反應堆上覆蓋著某種物質形態的蛹。
芹澤剛好身為基地的負責人，經過多次震動和基地停電，才得知巨型蛹中的生物已將三個反應堆吸食乾淨。蛹內的一隻翅膀巨獸直接孵化逃出、大肆破壞基地，剛好站在吊車通道上的喬直接從高處墜落，福特親眼目睹巨獸逃出基地、張開翅膀飛至天際。美國軍方一早前來接手局勢，芹澤將喬與福特一同帶到位於日本海的薩拉託加號航空母艦上；
海軍上將威廉·史坦茲將巨獸定名為“大型未知陸上生物”，簡稱“穆透”。喬因為傷勢嚴重而身亡，芹澤對福特以造成巨獸逃出的事故表示歉意後，為福特講解巨獸的歷史以及穆透的由來，並提及一隻君主計劃致力研究的史前頂級掠食者“哥斯拉”，認為它是唯一能夠恢復大自然“平衡”的王者。福特向芹澤供述自己父親生前提到的回聲定位法，讓眾人解答出穆透一直透過這種定位法來呼喚某隻生物。
穆透這時摧毀一艘俄軍核潛艇，將其帶到夏威夷檀香山島上進食核彈。它的存在引出海底的哥斯拉，其因為體形龐大而造成海嘯，海邊一帶被淹沒後，哥斯拉上岸和穆透正面交鋒，穆透在勢單力薄下飛行逃跑，哥斯拉則立刻回到海里追隨。當薩拉託加號等軍艦開始跟隨哥斯拉時，另一隻體形更為龐大的雌性穆透從十五年前在菲律賓尋獲、
被美國軍方回收並封存在內華達尤卡山核廢料處置庫的休眠蛹中破殼逃出，踩碎拉斯維加斯後往舊金山灣前進。史坦茲等軍方決定實施靠一顆核彈做誘餌、運至海上引爆以殺死所有怪獸的方案，只有芹澤和薇薇安堅決反對這個方法。福特搭軍方運輸機回到美國加州，途中乘上運送核彈的火車隊伍，但車隊卻在夜裡受到雌穆透的攻擊，只有福特一人落入河中才倖免於難。
舊金山市民被緊急撤離至奧克蘭，軍方在火車殘骸營救福特後，將完好無損的核彈繼續用船往海上運輸。雄穆透從高空飛下將核彈取走，與到達城市的雌穆透會合後，在唐人街挖地下洞建立巢穴。哥斯拉穿過金門大橋趕到城市，和兩隻穆透正面交鋒。由於整座城市受到核武威脅，史坦茲只好派遣海豹部隊去城市處理核彈，獲救的福特也加入隊伍行列。
全員透過高空跳傘至面目蒼夷的舊金山，趁哥斯拉和兩隻穆透交戰時趕到巢穴，獲取核彈卻無法開啟計時器開關，只能將核彈抬到碼頭的觀光渡輪上，再運往海面上自行引爆。福特在走前開啟地下燃油，將整個巢穴澆油放火炸燬。
哥斯拉在戰鬥中成功殺死雄穆透，而雌穆透發現它的卵都被燒死後，憤怒地殲滅駐守碼頭的突擊隊。福特趁機跑過來啟動船隻往海上航行卻被雌穆透截住，哥斯拉用原子吐息噴進雌穆透的體內而將它燒斷頭至死，獲勝後也因力盡而倒在城市裡，福特被軍隊的直升機救上去後，核彈被船運至遠方於遠處海平面上引爆。戰後，福特來到群眾聚集的體育場裡；
最終和艾兒和山姆相擁團圓。軍方到舊金山開始搜救倖存者時，倒下的哥斯拉深吸一口氣後再度站起來，在市民的注視下回到海里銷聲匿跡。
1954年，美軍在比基尼島所進行的核爆實驗將方圓幾百裡內的島嶼均夷為平地，一隻即將上岸的龐然大物也在核爆後銷聲匿跡。1999年，隸屬負責探索古老生物的秘密組織“君主計劃”（Project Monarch）的日裔科學家芹澤豬四郎與助手薇薇安·葛拉罕，到菲律賓調查一座發生地陷的採礦場，於地下勘驗時找到一組巨大古老生物化石，並發現化石旁邊寄生著兩個具有放射性的巨型細胞蛹；
一個處於休眠狀態，另一個已經破殼釋出一種生物並逃入太平洋，其順著洋流游到日本雀路羅市的核電站地底下，獲取核輻射作為食物來源。但它突破時所造成核洩漏，導致核電站裡的美籍核工程師喬·布洛迪目睹同事兼妻子珊卓和她的隊伍被困在反應堆中赴死，而雀路羅市很快就被軍方封鎖變成核輻射隔離區。
十五年後，喬與珊卓的兒子福特參軍當上美國海軍爆炸品處理課中尉，得到休假回到美國舊金山和妻小艾兒和山姆團圓，偶然得知喬因為私闖雀路羅市隔離區而被逮捕，其自從妻子身亡後開始走火入魔地調查核事故真相。福特到東京將喬保釋，喬表示自己私闖禁地只是想回到老家房子，拿到當年的核電站震源的資料資料來證明觀點，最後堅持說服福特和他再次回去。
於是，父子倆冒險回到雀路羅市，首先發現內部輻射已被淨空，雖然成功回到老家拿回資料，但走前還是被巡邏隊抓捕。父子倆被帶至昔日的舊核電站，該地區已被君主計劃建立基地，而反應堆上覆蓋著某種物質形態的蛹。
芹澤剛好身為基地的負責人，經過多次震動和基地停電，才得知巨型蛹中的生物已將三個反應堆吸食乾淨。蛹內的一隻翅膀巨獸直接孵化逃出、大肆破壞基地，剛好站在吊車通道上的喬直接從高處墜落，福特親眼目睹巨獸逃出基地、張開翅膀飛至天際。美國軍方一早前來接手局勢，芹澤將喬與福特一同帶到位於日本海的薩拉託加號航空母艦上；
海軍上將威廉·史坦茲將巨獸定名為“大型未知陸上生物”，簡稱“穆透”。喬因為傷勢嚴重而身亡，芹澤對福特以造成巨獸逃出的事故表示歉意後，為福特講解巨獸的歷史以及穆透的由來，並提及一隻君主計劃致力研究的史前頂級掠食者“哥斯拉”，認為它是唯一能夠恢復大自然“平衡”的王者。福特向芹澤供述自己父親生前提到的回聲定位法，讓眾人解答出穆透一直透過這種定位法來呼喚某隻生物。
穆透這時摧毀一艘俄軍核潛艇，將其帶到夏威夷檀香山島上進食核彈。它的存在引出海底的哥斯拉，其因為體形龐大而造成海嘯，海邊一帶被淹沒後，哥斯拉上岸和穆透正面交鋒，穆透在勢單力薄下飛行逃跑，哥斯拉則立刻回到海里追隨。當薩拉託加號等軍艦開始跟隨哥斯拉時，另一隻體形更為龐大的雌性穆透從十五年前在菲律賓尋獲、
被美國軍方回收並封存在內華達尤卡山核廢料處置庫的休眠蛹中破殼逃出，踩碎拉斯維加斯後往舊金山灣前進。史坦茲等軍方決定實施靠一顆核彈做誘餌、運至海上引爆以殺死所有怪獸的方案，只有芹澤和薇薇安堅決反對這個方法。福特搭軍方運輸機回到美國加州，途中乘上運送核彈的火車隊伍，但車隊卻在夜裡受到雌穆透的攻擊，只有福特一人落入河中才倖免於難。
舊金山市民被緊急撤離至奧克蘭，軍方在火車殘骸營救福特後，將完好無損的核彈繼續用船往海上運輸。雄穆透從高空飛下將核彈取走，與到達城市的雌穆透會合後，在唐人街挖地下洞建立巢穴。哥斯拉穿過金門大橋趕到城市，和兩隻穆透正面交鋒。由於整座城市受到核武威脅，史坦茲只好派遣海豹部隊去城市處理核彈，獲救的福特也加入隊伍行列。
全員透過高空跳傘至面目蒼夷的舊金山，趁哥斯拉和兩隻穆透交戰時趕到巢穴，獲取核彈卻無法開啟計時器開關，只能將核彈抬到碼頭的觀光渡輪上，再運往海面上自行引爆。福特在走前開啟地下燃油，將整個巢穴澆油放火炸燬。
哥斯拉在戰鬥中成功殺死雄穆透，而雌穆透發現它的卵都被燒死後，憤怒地殲滅駐守碼頭的突擊隊。福特趁機跑過來啟動船隻往海上航行卻被雌穆透截住，哥斯拉用原子吐息噴進雌穆透的體內而將它燒斷頭至死，獲勝後也因力盡而倒在城市裡，福特被軍隊的直升機救上去後，核彈被船運至遠方於遠處海平面上引爆。戰後，福特來到群眾聚集的體育場裡；
最終和艾兒和山姆相擁團圓。軍方到舊金山開始搜救倖存者時，倒下的哥斯拉深吸一口氣後再度站起來，在市民的注視下回到海里銷聲匿跡。