宇宙から地球侵略にやって来たケロン星人のケロロ軍曹(声:渡辺久美子)と、タママ二等兵(声:小桜エツ子)、ギロロ伍長(声:中田譲治)、クルル曹長(声:子安武人)、ドロロ平長(声:草尾毅)の4人の部下。彼らは日向家に潜入するが、あっさりと捕獲されてしまう。日向家に居候しながら、ひそかに侵略のチャンスを狙っているはずのケロロは、日向家の長男で中学一年生の冬樹(声:川上とも子)とすっかり仲良くなり、自分の任務よりもつい趣味のガンプラ(ガンダムのプラモ)作りを優先させてしまう。今日も一緒に大好きなガンプラを買いに出かけたケロロと冬樹は、帰り道、不思議な祠を見つける。中に入った2人は、そこにまつられた壺をうっかり割ってしまう。翌日から街中に異変が起こり、人々は大混乱に陥った。実はケロロが割った壺には、ケロン星の太古の最終兵器キルル(声:おぎやはぎ)が封印されていたのだ。キルルとは、ケロン軍が開発した恐るべき秘密兵器で、かつて宇宙警察によって封印されたのだった。憎しみや不信感など、悪意をエネルギーにして巨大化する恐ろしい生物兵器であり、このままでは地球は滅びてしまう。その時、キルルの秘密を握るケロン星人ミララ(声:新垣結衣)が現れ、地球を救う唯一の手段を明かすのだった。