接續前作《哥吉拉X機械哥吉拉》的故事，一年前與哥吉拉的決戰後，受損37%的機龍失去右腕及絕對零度炮。維修組員中條義人在八王子基地負責修復工作期間，其叔父信一在嬰兒島遇見小美人精靈。小美人警告人類以哥吉拉骸骨製造機龍的行為觸犯自然規律，若啟用機龍將迫使摩斯拉成為敵人。信一隨即說服身為總理大臣的老友五十嵐中止計劃，但太平洋的哥吉拉蹤跡與摩斯拉的現身使局勢急轉直下。2004年適逢哥吉拉誕生50週年，本片延續前作核心矛盾，聚焦機龍與摩斯拉的對立。國會議事堂、東京鐵塔等標誌性建築在戰火中遭毀，機龍與摩斯拉的攻防最終演變為三方混戰。中條義人繼承守護使命，於操作員內訌與個人信念間掙扎。關鍵結局中，小美人以祈禱平息哥吉拉怒火，機龍與摩斯拉的衝突因人類正視錯誤而終結，地球威脅隨之化解。電影在特攝技術與人文關懷層面均達新高度，展現系列作的歷史傳承。