Mientras los guardacostas japoneses investigan un barco abandonado llamado Glory-Maru, una erupción submarina daña repentinamente el Aqua-Line de la bahía de Tokio, provocando grandes inundaciones en la ciudad. El gabinete del primer ministro Seiji Okochi se reúne para reaccionar ante la situación de emergencia.

El subsecretario del gabinete, Rando Yaguchi, es el primero en sugerir que una criatura desconocida ha causado la destrucción. En un principio, su afirmación se descarta porque ninguna forma de vida no identificada podría ser tan grande, pero pronto queda claro que la teoría de Rando es correcta.

Hiromi Ogashiro, subdirectora de la Oficina de Conservación de la Naturaleza, advierte al gobierno de que la criatura parece anfibia y que sus patas podrían soportar suficiente peso para llevarla a tierra. Otros funcionarios no están de acuerdo, y el primer ministro celebra una rueda de prensa para tranquilizar al público, presa del pánico, diciendo que no hay ninguna amenaza. Sin embargo, durante el discurso del primer ministro, la criatura desembarca en Shinagawa y comienza a destruir edificios mientras se desliza por la ciudad.

El primer ministro autoriza el uso de la fuerza militar y las tropas comienzan a movilizarse. Inesperadamente, la criatura se detiene en su camino e inexplicablemente comienza a evolucionar, desarrollando brazos y erigiéndose para caminar erguida.

Preocupado por las víctimas civiles, el Primer Ministro detiene el ataque militar. La criatura continúa su camino de destrucción antes de retirarse al mar y desaparecer.

A Rando se le asigna la supervisión de un contingente de académicos inadaptados para elaborar un plan de ataque científico. Marta llega a la conclusión de que la criatura es radiactiva y funciona con energía nuclear. Más tarde, el equipo deduce que la criatura ha regresado a la bahía de Tokio para enfriarse tras su enorme gasto de energía.

Kayako Ann Patterson, una enviada especial de los Estados Unidos, llega para trabajar con Rando. Kayako entrega material de investigación escrito por el profesor universitario caído en desgracia Goro Maki. Maki estaba estudiando a la criatura, que llegó a recibir el nombre en clave de "Godzilla", y descubrió que había mutado tras comer residuos nucleares enterrados en el océano. La investigación incompleta y codificada de Maki sobre la biología de Godzilla se encontró en el barco abandonado Glory-Maru, aunque no había rastro del profesor.

Tras duplicar su tamaño por otra mutación, Godzilla reaparece en la bahía de Sagami. El primer ministro ordena un ataque militar aéreo sobre Kawasaki, pero las ametralladoras y los misiles no tienen ningún efecto sobre el monstruo. El primer ministro se ve obligado a suspender la operación y evacuar con su gabinete cuando Godzilla se acerca a una zona poblada.

Como parte de un acuerdo internacional, las fuerzas militares estadounidenses comienzan a lanzar bombas sobre Godzilla. Sin embargo, Godzilla brilla por las explosiones y emite un aliento de fuego radiactivo que destruye los edificios y aviones cercanos. El helicóptero de escape del primer ministro es destruido y todo su gabinete muere. Agotada su energía, Godzilla entra en un estado de hibernación.

Al descubrir que tienen aproximadamente dos semanas antes de que Godzilla vuelva a tener energía, los científicos de Rando trabajan con la investigación de Maki para descubrir posibles puntos débiles. Finalmente, encuentran una forma de mapear una estructura genética dejada por Maki, a través de la cual concluyen que pueden congelar a Godzilla desde dentro inyectándole un coagulante formulado. Esta estrategia recibe el nombre de Yashiori.

El asesor especial Hideki Akasaka es nombrado primer ministro en funciones de Japón. Las Naciones Unidas aprueban que los Estados Unidos lancen una bomba atómica sobre Godzilla, aunque permiten dos semanas de evacuación. Desesperada por evitar una explosión nuclear en Japón, Kayako utiliza sus contactos políticos para comprar más tiempo al equipo de Rando.

La operación Yoshiori se pone finalmente en marcha. Godzilla es despertado por los trenes sin conductor enviados para chocar con la criatura y explotar. Los drones lanzan más explosivos y Godzilla los destruye con los rayos de energía de sus aletas dorsales. Después de mucho caos, Godzilla es finalmente derribado por los escombros de los edificios detonados. Los camiones cisterna bombean coagulante a la criatura y, a pesar de ponerse en pie y rugir una vez más, Godzilla se congela en el lugar.

Tras la tragedia, Rando decide seguir una carrera en el gobierno para reconstruir la nación. Los Estados Unidos advierten que su ataque nuclear sólo se ha detenido, y que la bomba atómica caerá si Godzilla vuelve a activarse. Se ven criaturas humanoides con las distintivas aletas dorsales de la criatura congeladas, que han empezado a salir de la cola de Godzilla.