原子炉直下で発生する不可解な地震の報告を受けたジョーは、自分の誕生日を忘れていることをサンドラから知らされながら発電所に向かう。
職員のタカシ（山村憲之介）やハヤト（ヒロ・カナガワ）から状況を知らされたジョーは、大きな揺れがあったために、即刻、原子炉の停止を指示する。
調査に向かっていたサンドラに脱出するよう伝えたジョーは、彼女を助けるために防護扉に向かう。
逃げ遅れたサンドラは、フォードと共に生きてほしいと言って扉を閉めるようにと、無線でジョーに伝える。
町全体が危険にさらされると管理室から言われたジョーは、仕方なく扉を閉める。
扉に着いたサンドラは、のぞき窓のジョーの顔を見つめながら、諦めさせようとしてマスクを外し、父親としてフォードを守ってほしいと伝えて別れを告げる。
発電所は倒壊し始めて町中は停電になり、学校で授業を受けていたフォードは、他の生徒と共に避難するよう担任から指示される。
フォードは、両親がいるはずの発電所が倒壊する様子を見つめる。
15年後、サンフランシスコ。
アメリカ海軍の”EOD”爆弾処理班の大尉となっていたフォードは、総合病院ER勤務の医師である妻のエル（エリザベス・オルセン）と息子のサム（カーソン・ボルド）と共に休暇を楽しむことになる。
エルと愛し合おうとしていたフォードは、父ジョーが日本で逮捕されたという連絡を受け、身柄引き取りのために旅立つ。
ジョーは、サンドラの命を奪った原発事故の真相を探るために、退避区域の雀路羅に侵入して逮捕されたのだった。
東京。
到着して警察に向かい、釈放されたジョーと共に彼の家に向かったフォードは、事故以来、とり憑かれたように調査し、資料を壁中に貼る異常な部屋を見て驚く。
何かが隠蔽され、事故の原因が地震でないことを確信するジョーは、サンドラはまだ現場にいると言って後悔し、全力は尽くしたとフォードに伝える。
帰国しようとフォードから言われたジョーだったが、翌朝、新たな情報を入手して、退避区域に向かおうとする。
フォードに反対されたジョーだったが、区域内で新たな振動がキャッチされ、隠蔽されているのが原発関連のことではないと考え、調べる必要があると伝える。
住んでいた家に向かい、保管していたディスクを入手し当時と今のデータを比較する必要があると言うジョーは、嘘を暴く考えを変えない。
そこまでこだわる理由を訊かれたジョーは、サンドラを死なせたと伝え、事故はメルトダウンではなかったと断言する。
事実と向き合い逃げてはならないと言われたフォードは、ジョーと共に退避区域に向かう決心をする。
フォードと共に防護服を着て雀路羅に侵入したジョーは、犬が走り回り放射能がないことを確認してマスクをは外す。
まず、退避区域の嘘に気づいたジョーは、かつて住んでいた家に向かい、データのディスクとサンドラが写る家族の写真を見つける。
発電所跡地で何かを建設していることを確認したジョーとフォードは、パトロールに見つかり捕らえられ、施設に連行される。
施設内には、事故の地震の原因となった巨大な繭があり、研究が続けられていた。
モナークの施設であるその場の責任者の芹沢は、二人が拘束されたことを知らされ、一人は原発の元職員だったと言われる。
グレアムと共に、尋問されるジョーの話を隣の部屋で聞いた芹沢は、隠蔽について語る彼の妻、がこの場で死んだことを知る。
ジョーのカバンの中には15年前の資料があったことをグレアムから知らされた芹沢は、当時の情報が残っていたことに驚く。
その時、起きた揺れや現象を、ジョーは当時と同じだと指摘する。
同じ頃、繭が崩れ始め、内部の生命体が放射線を体内にためて成長したことを確認した芹沢は、退避命令を出して殺すよう指示する。
電磁波は消滅し、その死は確認させるものの、繭の内部から巨大な生物が現れる。
部屋から脱出したジョーは、拘束されていたフォードを目撃するものの、その場に向かうことができない。
羽の生えた巨大生物は移動し始め、施設は破壊される。
フォードと連絡が取れないエルは、父のことを心配するサムを抱きしめて安心させる。
翌日、破壊された施設はアメリカ軍の監視下に置かれ、指揮官のラッセル・ハンプトン大佐（リチャード・T・ジョーンズ）は、モナーク計画と未確認生物の情報についてを芹沢に確認する。
指揮権はアメリカ軍に移ると言われた芹沢は、必要な人物がいるかと訊かれ、負傷したジョーとフォードだとハンプトンに伝える。
ヘリで搬送される途中、家族の元に戻るようフォードに伝えたジョーは息を引き取る。
日本沿岸、空母”サラトガ”。
アメリカ海軍少将ウィリアム・ステンツ（デヴィッド・ストラザーン）は、未確認巨大生命体”MUTO”を捜索しつつ、事件を地震として装う指示を出す。
父ジョーを亡くしたフォードは、芹沢とグレアムから協力を求められる。
1954年に、世界初の原子力潜水艦”ノーチラス”が深海である巨大生物を発見し、米ソが競って行った核実験は、実はそれを殺すためだったことを、芹沢とグレアムはフォードに話す。
生物は地球の放射線を食べて何百万年も生き続け、設立された秘密組織”モナーク”が、その生物”ゴジラ”を調査研究していたのだった。
15年前にフィリピンで卵と共にゴジラに似た巨大化石を発見したのだが、大昔にMUTOが殺したものだったと話す芹沢とグレアムは、1体は冬眠中でもう1体は炭鉱採掘中に目覚めたと伝える。
餌を求めて地中を掘り進んだMUTOは、日本の雀路羅の地下で眠りにつき、15年間、放射線を吸い続けて、羽のある姿に成長したのだった。
それを知りながら殺さなかった理由をフォードから問われたグレアムは、殺せば放射線が放出されて危険だと考えたからだと説明する。
芹沢は、生態研究とそれを理解するために殺さずに閉じ込めたと話し、グレアムは、電磁パルス攻撃できるとは知らなかったとフォードに伝える。
ジョーがそれに気づいていたことを知った芹沢とグレアムは、他に情報はないかフォードに尋ねる。
話をするような音を出していたと聞いたと言うフォードは、MUTOが会話をしていたのなら相手の声も記録されてかもしれないと芹沢から指摘される。
芹沢は調べな直すようグレアムに指示し、MUTO捜索の鍵はゴジラだという考えをフォードに伝える。
ヘリでハワイに向かう途中でエルに電話したフォードは、父が亡くなったことを伝え、サンフランシスコに戻ることをメッセージに残す。
ジョーの資料とデータをグレアムとチェックした芹沢は、何かが答えていることを確認する。
ホノルル。
電車で空港に向かおうとしたフォードは、両親とはぐれてしまった日本人の少年に、家から持ち帰ったおもちゃの人形を渡して落ち着かせる。
その後、ハワイ沖でロシアの潜水艦が姿を消し、捜索のために特殊部隊がオアフ島に向かう。
部隊はジャングルの中で潜水艦とMUTOを発見し、その報告を受けたステンツは、100万人が滞在する場所では存在を隠し通すのは無理だと考える。
戦闘機が出撃して現地に向かうものの、MUTOの攻撃を受けて墜落する。
ホノルル。
海面の上昇に気づいた海岸にいた人々は、避難を始める。
甲板に上がっていた芹沢は、ゴジラが迫り、船底を通り抜けて海岸に向かう姿を確認する。
人々が逃げる中、津波が押し寄せ、既に待機していた部隊がビルの屋上から照明弾を発射する。
巨大なゴジラが姿を現し、部隊は攻撃を始める。
停電していた街は電力が復旧し、フォードはMUTOの姿を確認する。
攻撃を受けたMUTOは暴れ始め、フォードの乗っていた電車は破壊され、彼は少年を助ける。
ホノルル国際空港（現ダニエル・K・イノウエ国際空港）。
ヘリの攻撃をかわし撃墜したMUTOの前に、ゴジラが現れる。
サンフランシスコ。
ソファで眠っていたサムは目覚めて、テレビで中継されているゴジラとMUTOの戦いを見る。
サムを眠らせようとしたエルは、サムから恐竜だと言われて、画面の光景を見て驚く。
ホノルル。
翌朝、市内は壊滅状態になり、フォードは少年の両親を捜そうとして臨時の行方不明者登録所に向かう。
姿が見えなくなった少年が、両親と再会できたことを確認したフォードは安堵する。
移動する空軍のトレ・モラレス軍曹（ヴィクター・ラサック）に話しかけたフォードは、巨大生物狩りが始まると言う彼と行動を共にする。
MUTOは東に移動しゴジラはそれを追い、アメリカの西海岸に近づく。
その後、MUTOがゴジラを呼び寄せたと思われたが、ゴジラは声を聴いただけで、MUTOは別のものを呼んだという考えを芹沢はグレアムに伝える。
ネバダが目的地だと気づいた芹沢は、放射性廃棄物処分場に保管されている、フィリピンで見つけた卵が孵化すると考える。
”ユッカマウンテン放射性廃棄物処分場”。
施設内を調べた特殊部隊は、孵化したMUTOが脱出し、ラスベガスに向かっていることを確認する。
ラスベガスを破壊したMUTOは、更に移動する。
その映像を確認した芹沢は、もう1体よりも巨大なMUTOには羽がないため雌だと気づき、それが雄を呼び寄せ、繁殖するために餌を探しているとグレアムから指摘される。
会議の席上で軍事分析官（テイラー・ニコルズ）は、3体が向かう場所がサンフランシスコ湾であることをステンツらに伝え、核弾頭をタイマーでセットして船に搭載して沖に出せば、MUTOとゴジラを誘き寄せられると話す。
それに意見するグレアムに対案を問うステンツは、芹沢から、調和を取り戻すために来たゴジラならMUTOを止められると言われる。
黙って見ているわけにはいかないと言うステンツは、直ちに準備を開始させる。
納得いかないグレアムはその場を去り、ステンツは、市民の安全が最優先だと芹沢に伝える。
動かない古い懐中時計を芹沢から見せられたステンツは、1945年8月6日、午前8時15分に投下された、広島の原爆で亡くなった父の形見だと言われる。
カリフォルニア州、ローン・パイン。
モラレスらと行動を共にしていたフォードは、核弾頭がサンフランシスコに運ばれることを知り、部隊の指揮官マーカス・ウォルツ中尉（パトリック・サボンギ）に同行の許可を求める。
エルに電話をしたフォードは、怯える彼女を落ち着かせて、明朝、迎えに行くことを約束し、必ず脱出させると言って愛を伝える
その間、電波障害区域は広がり避難勧告が出される。
作戦は実行され、中止することをステンツに要望した芹沢だったが、市民を守る必要があると言われる。
ステンツから、核弾頭で相手を倒せるか訊かれた芹沢は、既に試したことを伝えるが、今回はメガトン級だと知らされる。
核弾頭と共に貨物車で移動するフォードは、電磁パルスの影響を受けないアナログ式の起爆装置をセットする。
付近で戦闘があり貨物車は停車したため、フォードとモラレスが安全を確認する。
無線がつながらなくなり、MUTOが現れたたために二人は身を潜める。
出発していた貨物車は火だるまとなり、二人と共に橋から川に落下し、MUTOは核弾頭を飲み込む。
水面を前進していたゴジラは、水中に潜り姿を消す。
翌日、無事だったフォードは、無傷だった核弾頭を運び出す部隊に救出される。
西海岸全域に避難勧告が出て、エルの病院の患者も移動を始めるが、エルはフォードを待つ。
サンフランシスコ。
フォードは、核弾頭が沖合に運ばれ、それが”餌”にされることを知る。
サムを同僚のローラに預けたエルは、フォードを待つために病院に残る。
オークランド、作戦司令部。
ヘリで運ばれたフォードは、治療を受ける。
ゴジラとMUTO2体の位置を確認したステンツは、”ゴールデン・ゲート・ブリッジ”に、スクールバスを含めた車両が大量に残っていることを知る。
大挙する軍艦の前に現れたゴジラは橋に向かい、一斉攻撃を受ける。
ゴジラは橋に襲い掛かり、サムを乗せたバスの運転手は、兵士の制止を振り切り走り出してしまう。
沖合の船上では、核弾頭の起爆装置を作動し90分のカウントダウンが始まる。
電磁パルスによりエンジンなどの動力は失われ、市内は停電する。
軍艦は停止し、戦闘機が次々と墜落する。
姿を現した2体のMUTOは愛撫し合い、雄が奪った核弾頭を受け取った雌は、”チャイナタウン”に巣を作る。
サムが避難所の”オークランド・アラメダ・カウンティ・コロシアム”に着いたことを確認したフォードだったが、エルの消息は不明だった。
司令部に呼ばれたフォードは、MUTOが核弾頭を奪ったため爆発圏内にいる10万人を救う必要があることを知る。
降下部隊指揮官（ジャリッド・キーソ）と共に現地に向かい、自分がセットした起爆装置を60秒で解除することを、フォードはステンツに伝える。
失敗した場合は、核弾頭を海岸に運び船に載せて街から遠ざける作戦が考えられる。
フォードを呼び止めたハンプトン大佐は、今回の任務には救出作戦がないと言って、失敗すれば戻れないと伝える。
必ずやり遂げると伝えたフォードは、部隊と共に出発する。
自分の信じるゴジラとは何だとステンツから訊かれた芹沢は、MUTO2体にも勝てるかとも問われる。
自然を支配できると思い込む人間だが、実際はその逆だと答えた芹沢は、とにかく戦わせるしかないとステンツに伝える。
MUTOの雄とゴジラの戦いを目撃しながら、エルは建物の中に避難する。
部隊員と共にサンフランシスコの市街に降下したフォードは、核弾頭の位置を確認してチャイナタウンに向かう。
巣に到着したフォードらは、MUTOの雌がゴジラと戦っている隙に核弾頭の場所に向かう。
核弾頭を発見した部隊は、爆発まで27分を切り処置を急ぐ。
MUTOの雄も現れ、ゴジラは2体を相手にして激しく戦う。
カバーが外れないために核弾頭は海岸に運ばれることになり、フォードはタンクローリーのガソリンをその場に流し、MUTOの雌が産み落とした大量の卵を爆破する。
それに気づいたMUTO2体は、巣に向かい卵が死滅していることを確認する。
襲い掛かるゴジラは、放射能熱線でMUTOの雌を攻撃する。
核弾頭は船に運ばれ、それに気づいたMUTOの雌は港に向かう。
ゴジラは、襲い掛かってきたMUTOの雄を尻尾の一撃で倒す。
港の部隊はMUTOの雌の攻撃を受けて全滅し、核弾頭を載せた船に乗り込んだフォードは、起爆装置のカバーが外れないために、エンジンをかけてナビを自動にセットする。
MUTOの雌が船に迫り、フォードは銃を構えて覚悟を決める。
そこに現れたゴジラはMUTOの雌に襲い掛かり、放射能熱線を口内に放って倒す。
電力は復旧し、船は沖に向かい、岸にたどり着き倒れこんだゴジラの姿を見ながら、フォードは夜空を見上げる。
意識を失いかけたフォードは救助され、へりに引き上げられる。
沖に向かった核弾頭を搭載した船は、安全な場所で爆発する。
オークランド・アラメダ・カウンティ・コロシアム。
サムを抱いたフォードは、避難してきた人々の中からエルを捜そうとする。
芹沢とグレアムは、息絶えたと思われたゴジラが生きていることを知り驚く。
救出されたエルの姿に気づいたサムは、母に駆け寄る。
フォードは無事だったエルを抱きしめる。
スタジアムのスクリーンにはゴジラの雄姿が映し出される。
”キング・オブ・モンスター”のゴジラは街の救世主なのか？というテロップが表示される。
芹沢とグレアム、そして人々が見つめる中、雄たけびを上げたゴジラは、サンフランシスコ湾に消えていく。
