海に沈んだメカゴジラの残骸を捜索中の潜水艇・あかつき号が行方不明になった。調査に乗り出した海洋研究所の一之瀬は、10年前に「恐竜は実在する」と発表して世間を追われた真船博士が事件に関係があるとにらんだ。一方、その真船博士は、人知れぬ地下の実験室で一人娘・桂を助手にして、世間へ復讐するために研究に没頭していた。真船博士の復讐心は地球征服を企む宇宙人に利用された。怪獣チタノザウルスを使ってあかつき号を破壊したのは、大宇宙ブラックホール第三惑星の隊長ムガールで、彼は博士の手を借り、メカゴジラを復元修理しようとする計画だった。一之瀬は海底調査をするに当って桂に協力を求めたが、断わられた。桂はムガールの手下・津田によってサイボーグに改造されていたのだ。あかつき2号に突然、チタノザウルスが襲いかかった。だが、あかつき2号の発信する超音波によって苦しみ悶えだした。チタノザウルスは超音波に弱いのだ。逃げたチタノザウルスは二日後、横須賀港に出現した。その時、突如、海中からゴジラが現われた。壮絶な戦いは勝負がつかないまま、引き分けに終った。ムガールは桂の頭にメカゴジラの作動装置を結びつけ、東京大破壊が開始された。その頃、真船家を探っていた一之瀬がムガールに掴まった。ムガールは、一之瀬を救出しようと飛び込んで来た国際警察の村越をしりめに、最後のスイッチを押した。メカゴジラとチタノザウルスは狂ったように街を破壊していった。だが、再び出現したゴジラによって、宇宙人の野望もくずれさるのだった。