一年前のゴジラとの戦いで、右腕と最大の武器“アブソリュート・ゼロ”を失った機龍（メカゴジラ）の修復に携わる整備士・中條義人と、彼の叔父で、43年前、言語学者として小美人をモスラに返す為に尽力した信一の元に、ある日、インファント島に住む妖精・小美人が現れ、機龍製造に使用したゴジラの骨を海に返せば、モスラはゴジラの脅威に対して全力で立ち向かう用意があることを告げた。以来、義人は機龍の修復作業を続けながらも小美人の言葉が頭から離れなくなる。そんな中、再びゴジラが東京へ上陸した。約束通り、日本に飛来したモスラはゴジラと壮絶なバトルを展開するも、その強大なパワーの前に倒れてしまう。この事態に五十嵐首相は修復不完全なまま機龍出動を決定、ゴジラを迎え撃つ。だが突然、機龍のコントロールが効かなくなってしまった。報を受け機龍修理に向かった義人は、小笠原諸島・曾孫島で生まれた双子のモスラの幼虫がゴジラを牽制する中、義人の気持ちを汲んでくれた小美人の協力もあって機龍修理に成功するが、出口を塞がれ機龍の中に閉じ込められる。義人を載せたまま動き出す機龍。とその時、機龍が暴走を開始した。しかし、義人はそれが機龍の意志で動いていることを感じ取っていた。「これ以上の戦いは望まない、ゴジラと共に海へ帰る・・・」。そして、機龍はモスラの繭でがんじがらめにされたゴジラを抱え日本海溝へと向かうと海底深く沈んで行き、特生自衛隊・機龍隊の如月、秋葉両隊員の活躍によって無事機龍からの脱出を果たした義人は、その様子をいつまでも見守るのであった。が、日本にはまだゴジラのDNAが保管されてていたことを彼らは知る由もなかった・・・。