开场字幕在50年代核试验的档案影像上滚动播放。字幕信息被覆盖在剪辑的影像上的白色条带上，以示隐藏。核弹爆炸，军事人员戴上防护眼镜，恐怖的哥斯拉脊椎从海浪下短暂露出。他们正试图杀死哥斯拉。但这并没有奏效，哥斯拉因不满而发出尖叫。
切换到1999年...
一个标有“Monarch”字样的直升机(我们在开场字幕中看到了它们的名字)飞越菲律宾的一个巨大挖掘场。这看起来像是一个矿场。成千上万的工人在巨大的沟壑中劳作。当直升机降落时，一位日本研究员芹泽(渡边谦饰)和他的英国助手维维安·格雷厄姆(莎莉·霍金斯，出自《蓝色茉莉》)出现了。一位美国主管通知他们，他们有探测到暗示着铀矿的读数。他们将重型设备运送到现场，结果这些设备坍塌进了一个地下洞穴。他们前往那里，发现了一具巨大生物的骨化尸体。尸体充满了整个洞穴，一眼望不到边。
洞穴天花板上似乎挂着某种类型的茧，还有一个看起来像是已经孵化了?这会是什么呢?进一步深入洞穴，看起来好像有某种庞大的东西从洞穴中爬出，撕裂了一道伤痕跨越景观，向着大海前进。
切换到日本，稍后...
乔·布罗迪(布莱恩·科兰斯顿饰)正焦急地通过电话讨论地震活动。他认为他所在的核电站应该出于预防措施而被关闭。作为一个美国人，他担心会惹恼日本人，但他坚持要开会讨论他的担忧。他有些羞涩的儿子为他做了一个标志。今天是他的生日。他的妻子，桑迪(朱丽叶·比诺什饰)，急忙把儿子送去学校。她提醒布罗迪今天是他的生日，而他们的儿子，福特，准备了一个惊喜。他们前往电站，他告诉妻子下到反应堆区域确保震动中没有任何损坏。
一到电站，布罗迪就陈述了他的立场。他的上司认为这次活动只是最近菲律宾“地震”的余震;布罗迪不同意。突然，一次大震动袭击了电站。我们现在需要关闭电站!在关闭过程甚至开始之前，另一个震动摇晃了电站，引发了到处都是的红灯。反应堆已经被破坏，布罗迪的妻子就在下面!
布罗迪冲下楼，要求将防护盾门保持在手动覆写状态，这样他就可以救出他的妻子。比诺什和她的团队全速奔跑，试图赶在将要厄运他们的云层前面。他们的速度很快，直到一个队友绊倒，比诺什停下来帮助他。天啊，云层就在他们后面。
与此同时，布罗迪已经到达门口，并确认他已经控制了门。楼上的人都在惊慌失措。他通过对讲机收到消息说比诺什没救了。布罗迪情绪激动，因为失去她的前景而颤抖。她告诉他，他需要关闭门来保护城市。他等到最后一刻，然后封闭了门和他们的命运。但还有一个更残酷的转折点...字面上，就在门封闭后的几秒钟，比诺什和她的几个团队成员出现了。布罗迪哭泣，因为他看到他的妻子被有毒的放射性雾气包围。
在他的学校，小福特看着电厂的冷却塔倒塌。他的父母就在那里工作!他的所有同学都逃到外面，而他目睹着他的整个生活崩溃成废墟。
切换到现在…
泰勒-约翰逊饰演成年的海军中尉福特·布罗迪，布罗迪的疏远儿子。他在外地服役14个月后正返回家中，回到他的妻子艾尔(伊丽莎白·奥尔森饰)和他们的孩子身边。有一个温馨的欢迎回家场景，福特准备和妻子享受一些久违的亲子时光，这时电话铃响了。乔·布罗迪因在日本非法侵入被逮捕，现在被拘留在领事馆。福特不得不去接他。看来爸爸必须打破对儿子的承诺：“明天早上会在那里。”
在日本，福特显然对不得不去救他爸爸感到有些厌恶。乔在事故后遭受了神经崩溃，他们的关系明显紧张。乔的公寓看起来像是一个阴谋论者的天堂。墙上贴满了图片和文章。到处都是书籍和研究资料。显然，爸爸已经走火入魔了。他嘟囔着关于回声定位和地震“彼此对话”。出于同情，福特建议他的爸爸和他一起回家。乔多年未见过他的孙子了。他需要休息。然而，乔坚持他需要知道那天发生了什么。他的妻子仍然埋在“隔离区”的废墟中。如果他能回到他的房子取回他的研究就好了!他甚至没有一张桑迪的照片来珍藏。
不情愿地，福特决定帮助他的爸爸。他们回到了看起来被遗弃和荒废的老街区……有点像《我是传奇》。突然，一群狗穿过场景奔跑。怎么可能在一个辐射废土中发生这种事?乔检查他的盖革计数器，显示根本没有辐射。他冲动地摘下他的防护头盔，深深地呼吸!这里完全安全。现在福特也开始相信了。这里有些不对劲。他们在房子里翻找，乔抓起他的ZIP磁盘(没什么比过时的技术更好的了!)。他找到了一张桑迪的照片，转过身看到福特的生日标语，多年后仍然挂着。与此同时，福特找到了一个他放进口袋的旧军队玩具。
直升机叶片的轰鸣声打断了他们的回忆。再次，为什么要飞越隔离区呢?当他们走到外面时，他们立刻被抓起来，驱车前往“废弃的核电站”。芹泽和格雷厄姆与其他人谈话。他们对围绕着从旧反应堆表面突出的一个奇怪的圆锥形有机结构的活动感到担忧。有人打断他们，说他们需要跟他走。他们被带到乔正在接受审问的地方。他给人的印象是狂躁且有点儿糊涂，但格雷厄姆确认他的数据与他们现在所见的惊人相似。他是唯一一个知道15年前发生了什么的人!
回到主房间，读数确认EMP脉冲以惊人的频率破坏他们的电子设备，就像1999年一样!芹泽承认是时候结束这个项目了。一个钢制的围栏被放下，数百万瓦特的电流被施加到蛹上……除了它根本没用。突然，一个巨大的多脚生物从壳中破裂而出，用它的爪脚砸在地上，产生一个EMP脉冲，使设施失去动力。人们尖叫着奔跑，当生物在其围栏中挣扎。与此同时，乔仍然被手铐在一辆安全车里。他无助地观看着周围的人被屠杀。他的父亲完全正确!突然，一个支撑物砸毁了他的车辆，他获得了自由!乔从一个高架走道上惊恐地观看着他的儿子面临死亡。但他自己的安全也处于危险之中，因为桥梁被毁，他遭受了可怕的跌落。生物已经逃脱，并蹒跚地走进夜晚。
第二天，拉塞尔·汉普顿上尉(理查德·T·琼斯饰)告知芹泽军方正在接管。芹泽需要谁加入他的团队?他指向了乔，乔被绷带包扎着躺在担架上。他们带着乔和福特乘坐军用运输机。不幸的是，乔没过多久就去世了。现在所有人的目光都集中在福特身上。他从与父亲的对话中可能记得些什么?福特羞于承认他曾认为他的父亲疯了，但随后想起了一些关于回声定位的事……芹泽对这一发现产生了兴趣，并带福特进入一个简报室，向福特解释最近孵化的MUTO可能试图与很久以前在太平洋游荡的另一只巨大怪兽进行交流。芹泽随后播放了与开场字幕中看到的同一批1954年的核试验影像，但包括了一些关键细节，主要是几帧熟悉的巨大棘背生物。芹泽解释说，核试验不是测试;它们是试图杀死这个生物的尝试。这个生物被命名为哥斯拉，芹泽相信它正在返回，这种感觉很快得到了确认，之后不久他们就发现了哥斯拉。海军舰队跟随哥斯拉。与此同时，艾尔对日本受损的新闻报道感到恐慌，并且联系不上福特。
由于福特没有太多可以提供的信息，看起来他将前往夏威夷，准备搭乘航班回家。海军确认“MUTO”(巨大未识别地面生物)正穿越太平洋前进。它可能正前往夏威夷作为休息站吗?舰队朝那个方向出发，跟随着同样方向移动的哥斯拉的脊背。芹泽推测哥斯拉正在追踪MUTO，想要与它战斗以恢复自然的平衡。
福特在机场等候前往航站楼的列车。他正在玩一个玩具士兵，一个小男孩对它很感兴趣。当这个男孩走上列车时，车门关闭了!他的父母没有和他一起上车。他们吓坏了，但福特用口型告诉他们，他会把孩子带回来。他希望自己不会错过飞机。回到航空母舰上，他们听说俄罗斯人失去了一艘核潜艇。MUTO以辐射为食(这就是为什么核电站没有有毒废物的原因)。它可能把潜艇当作小吃吃了。他们派遣一个队伍进入檀香山附近的森林进行调查。他们找到了潜艇，潜艇被黏稠的黏液覆盖，安放在一棵树上。MUTO正在啃食核燃料罐。一场空中攻击发起了，但MUTO发射了它的EMP，破坏了所有喷气机的导航控制系统，使它们坠落到地面。在机场，电力中断，包括列车。福特不明白是MUTO造成了停电，并向那个小男孩保证电力很快就会恢复。
在一个酒店的夏威夷传统晚会上，一个小女孩看到远处山丘上的飞机爆炸。随着小女孩注意到海水似乎正在迅速从海岸线退去，人群开始担忧。有什么东西正在排挤大量的水。
很快，我们看到移动所有那些水的是哥斯拉。当这个巨兽抵达陆地时，檀香山被洪水淹没。夏威夷传统晚会(以及市中心的一切)都化为灰烬。在机场，电力恢复了，但显示MUTO正位于列车轨道上方。列车正直接驶向它的巨口。这个庞然大物撕裂轨道，使乘客们遭遇厄运。福特勉强挂住，但在被撕裂的列车滑出前抓住了那个小孩。哥斯拉与MUTO对峙，但它设法逃脱，振动它巨大的翅膀，继续向大陆进发。
回到旧金山，艾尔试图让她的孩子睡觉，而他却在看新闻上发展中的破坏。全世界现在都知道，MUTO和哥斯拉的存在。
回到船上，他们正在追踪MUTO的路径。看起来它正前往旧金山，但为什么?格雷厄姆和芹泽意识到它一定是前往另一个MUTO，长期以来被认为已死……不幸的是，对我们来说，他们将这个危险的放射性尸体存放在了一个无限食物供应处，内华达的尤卡山核废料设施中。军队抵达后发现，现在被确认为怀孕的雌性MUTO已经逃脱，并正制造一条通往与其伴侣会合的路径。这条路径直接穿过拉斯维加斯，宝贝。这个甚至更大的怪物很快就将罪城化为一片废墟。海军计划用一枚核导弹吸引两只MUTO到海上。哥斯拉将紧随其后。然后他们将引爆炸弹，消灭所有三个怪物。格雷厄姆对这个计划的短视感到惊讶。MUTO是以辐射为食的!!!汉普顿上尉声称，没有什么能够承受新型炸弹的威力。芹泽并不信服。
与此同时，在把那个小男孩送回毁坏的檀香山给他的父母后，福特跳上了一艘前往大陆的海军运输船。一列火车正准备运输两件武器(诱饵和杀伤性炸弹)。福特利用自己的弹药处理专长，挤进了这个任务细节中。炸弹将通过火车运输到海岸，然后启动计划。一切似乎都进行得很顺利，直到一次震动在一座危险的山间桥梁前停下了火车。队伍试图通过对讲机联系前方，但对讲机中的尖叫声并没有带来好消息。不确定桥梁是否还在那里，他们分成两组。起初看起来还可以，但是妈妈MUTO已经在等着了。它摧毁了桥梁，吞下了一个核弹，杀死了火车上除了福特以外的所有人，福特在桥梁被破坏时跳进了河里。
到了早晨，一个恢复小组已经找到了他和核弹。他们将飞走剩下的炸弹，并试图对最初的想法进行一些修改。总统表示同意。芹泽评论说，人类认为我们可以控制自然，这是多么的傲慢。实际上，情况恰恰相反。
MUTOs正前往旧金山与哥斯拉会合，哥斯拉紧随其后。海军一直在默许这个怪物，因为它没有对船只构成直接威胁，但他们承诺要摧毁它们所有，尽管芹泽有所抗议。福特已经打电话给在医院的艾尔，保证他正在赶来的路上。请她等他。同时，整个城市正在准备紧急疏散。艾尔想把她的儿子留在身边，但最终同意，将他的照顾托付给一位同事。那些疏散巴士在金门大桥上停滞不前，坦克中的军队对着怪兽威胁做好了准备。
海军已经为炸弹准备了一个长时间的倒计时定时器(以避免被MUTO的EMP破坏)。当有翼的MUTO攻击时，他们设置了时钟。它正在寻找给它的宝贝妈妈的小吃，并将炸弹送给她。他们破坏了一些市中心的房地产，为所有这些小MUTO宝宝制造了一个巢穴。核弹将提供营养，直到它们孵化。现在炸弹就在市中心，交通一片混乱，数十万人处于风险之中。哥斯拉感觉到了猎物的气息，从深处浮现，正好在桥旁。军队本能地攻击，激怒了哥斯拉，它严重损坏了桥梁。巴士司机看到了机会，冲破路障，将他的乘客安全带走。
尽管受伤，福特声称他可以在大约30秒内解除触发器。他加入了一个执行高风险高空伞降(HALO跳伞)进入旧金山的队伍，目的是抢回炸弹，解除它的引爆装置，并做最后一次尝试，将怪物们炸成碎片。
他们进行了跳伞，当哥斯拉出现准备对MUTO发动攻击时，只损失了几个人。哥斯拉对抗较小的有翼雄性MUTO表现得相当好，但当大妈妈离开巢穴帮忙时，它们对他进行了凶猛的双重攻击。军队找到了巢穴和核弹，但外壳受损，他们无法在那里解除它。他们开始将它移动到一艘船上，在那里他们有更多的工具并可以将它从城市中送走...
切回到怪物大战，MUTOs无情地用它们的钩子刺入哥斯拉庞大身体的每一个部分。它看起来已经没救了，但慢慢站起来，背上鳞片散发出的蓝色微光预示着蓝色原子呼吸!它在被爸爸MUTO抓住之前，向妈妈MUTO发射了原子呼吸...
回到巢穴，福特看到成千上万的蛋并意识到它们是更大的威胁。落在后面的他打开了一个燃料开关，使整个房间充满了汽油。
回到怪兽……这看起来是哥斯拉的末日。它被MUTOs撕扯得体无完肤，突然之间，巢穴爆炸了，杀死了所有的宝宝，并使妈妈MUTO惊慌失措地返回巢穴。这正是哥斯拉需要的转机。他重新获得了斗志，并再次与会飞的MUTO交战。空中优势似乎让MUTO占了上风，但哥斯拉那恶毒的尖刺尾巴将MUTO击入一座大楼，彻底结束了它的生命。
与此同时，福特被爆炸的余波所困。妈妈MUTO为失去的宝宝们哀悼，但闻到了核弹的气味，便返回去抓取它。福特也在前往那里的路上。队伍到达了船上，并试图驶向公海，但一次EMP攻击瘫痪了引擎。士兵们勇敢地试图拯救任务，但怪兽到来并开始将他们撕成碎片。当怪物转向攻击岸上的一些士兵时，福特到达了船上去拆除炸弹。外壳损坏过于严重，而大妈妈将目光投向了他那小小的船只。突然，哥斯拉穿过一栋大楼，抓住妈妈MUTO的喉咙。它撕开她的下巴，向她喉咙深处发射了一道原子火焰，将这个怪兽烧成灰烬，并撕下了它的头。最后，哥斯拉因伤势过重而倒在了海岸上。
与此同时，船上的动力突然恢复了生机，福特设定了GPS，让船驶向海湾。现在没有时间拆除炸弹了，他似乎接受了自己的命运，倒在甲板上。一个闪烁的灯光将他唤回了意识，一架医疗直升机将他安全地吊走。远处，自动驾驶的船在远离城市的地方爆炸了。
在事后，哥斯拉那严重受损的尸体躺在旧金山的街道上。福特一瘸一拐地穿过一个匆忙改造的体育场避难所。他找到了他的儿子，但紧急救援团队仍在努力从在怪兽战斗中被摧毁的医院救出人们，艾尔仍然失踪。突然，儿子看到了妈妈，妈妈看到了爸爸，他们拥抱在一起，威胁得到了避免。
芹泽带着遗憾看着这个伟大生物的静止身体。突然，它动了一下，慢慢地扶正自己，穿过街道向水边移动。芹泽微笑着，高兴这股强大的自然力量幸存了下来。新闻报道宣布怪兽之王拯救了城市!!!
