トレジャーハンター（秘宝発掘のプロ）の藤戸拓也は国家環境計画局の依頼で、開発会社丸友の森林伐採で起きた土砂崩れ現場に現れた巨大な卵の謎を解明するために、インドネシア諸島にあるインファント島に向かった。丸友の安藤と、拓也の別れた妻で計画局院の手塚雅子が彼に同行した。3人は卵のある場所で身長15センチほどの2人の小美人（コスモス）に出会う。コスモスは地球の先住人類で優れた文明社会を築いていたが、1万2千年前に環境破壊を引き起こして“地球生命”の怒りをかい、滅ぼされてしまったという。巨大な卵はそのコスモスたちの守護神モスラであり、地球生命を守る使命を持つ怪獣バトラとの戦いが近づいていた。そのバトラはシベリアから日本海を渡り上陸、名古屋を壊滅させた後にインファント島に向かっていた。拓也たちはモスラの卵を日本に運ぼうとするが、途中隕石の影響で目覚めたゴジラに襲われてしまい、その時卵からモスラが誕生する。ゴジラとモスラの戦いが続くなか、バトラもやってきた。ゴジラはバトラを海中に引きずり込むがゴジラは海底の深い割れ目に落ちてしまう。危機を逃れた拓也はコスモスを研究機関に売り飛ばそうとするが、数年ぶりに再会した娘のみどりに説得され改心する。その頃富士山からゴジラが出現し、街を破壊しながら横浜へと向かった。コスモスを取り返そうと東京に上陸し、国会議事堂で幼虫から成虫へと変態したモスラ、また“黒いモスラ”へと変態したバトラも横浜へと向かい、こうしてみなとみらい21で3大怪獣の決戦が始まる。今まで寄り添うことのなかったモスラとバトラが協力してゴジラと戦い、バトラはゴジラを抱えたまま海中へと落ちていった。残ったモスラは、人類に地球生命のメッセージを伝えたコスモスとともに去っていくのだった。