1984년에 부활한 고지라는 결국 초음파 유도작전에 의해 미하라산의 분화구 속으로 떨어져 최후를 맞은 듯 했다. 그러나 이미 그 시점에서 폐허가 된 신주쿠에서는 각국 첩보원들에 의한 고지라 세포의 치열한 쟁탈전이 벌어지고 있었다. G세포(고지라 세포)는 중동의 산유국 사라지아의 첩보원과 일본 정부의 손에 각각 들어가게 된다. G세포를 입수한 사라지아는 농작물 연구를 위해 초빙한 일본인 시라가미 박사에게 G세포의 힘으로 영원히 시들지 않는 작물을 만들도록 의뢰하지만, 미국의 초거대 식량유통업체인 바이오 메이저의 공작으로 연구소와 G 세포는 함께 폭파되어 사라지고 만다, 그리고 그 과정에서 시라가미 박사의 딸 에리카마저 목숨을 잃게 된다. 시라가미는 딸의 DNA 세포를 장미에게 주입시켜 에리카를 살아있게 한다.

계속되는 전쟁과 환경 파괴, 핵의 발달은 지구 환경을 어지럽혀 잠들어있던 많은 괴수를 깨운다. 이에 지구방위군은 세계각지에서 특수한 신체능력을 가진 새로운 인간 "뮤턴트"를 주요전력으로 M이라는 기관을 조직하게 된다. 한편 지구에 온 외계인 X성인은 우호적인 자세였으나 점차 본색을 드러내어 잠들어있던 괴수들을 깨어내어 조종하기 시작하고, 지구방위군은 최대의 적이자 1954년 처음 그 모습을 나타낸 이후 수 차례 세계를 멸망에 빠뜨릴 뻔한 괴수의 왕 "고질라"를 부활시킨다. 50년 만에 남극 빙산 속에 결빙되어 있다 깨어난 고질라는 그 동안 쌓인 모든 것을 풀어버리겠다는 듯 무서운 기세로 수많은 괴수들을 해치워 나가기 시작하고 뮤턴트와 X성인의 대결, 그리고 고지라와 X성인에 의해 부활한 괴수들의 최후의 결전이 시작된다.

일본에 이상기후가 갑자기 닥쳐 1월인데도 불구하고 무더위가 이어지고 있었다. 지구뿐만 아니라 우주에서도 이상한 현상들이 일어나고 있었고, 어느 천문대에서는 이 현상을 규명하기 위해 UFO와 교신을 시도하나 이는 유성우로 밝혀진다. 천문학자들이 실망하는 사이에 지구로 여러 운석들이 떨어진다. 일본을 방문하려던 세르지나 공국(セルジナ公国)의 마아스 도오리나 사루노(マアス・ドオリナ・サルノ) 왕녀는 전용 비행기를 타고 오던 도중 누군가의 텔레파시를 받고 타고 있던 비행기에서 뛰어내린다. 그와 동시에 비행기는 갑자기 폭발한다. 한편 지구로 계속 떨어지던 유성 중에 하나가 쿠로베 댐 부근의 산 중 계곡에 떨어진다. 이곳으로 운석을 조사하기 위해 과학자들이 파견된다.

초등학교 5학년 무사시는 우주비행사가 되어 별의 바다를 여행하고 울트라맨을 만나는 꿈을 꾸는 소년이다. 엄마 미치코는 꿈만 꾸는 아들이 조금 걱정스럽지만, 경찰관인 아빠 유지로는 무사시의 마음을 소중히 여겨주려고 큰 사랑으로 응원한다. 어느 날 밤, 무사시는 개기월식을 관측하기 위해 친구들과 함께 숲 공원에 세운 요새로 향한다. 그런데 폭우가 쏟아지고, 겁에 질린 친구들은 모두 집으로 돌아가 버린다. 그 무렵, 저 멀리 우주 공간에서는 지구를 노리는 발탄 행성과 이를 막으려는 울트라맨 코스모스와의 치열한 전투가 벌어지고 있었다! 광선과 열선을 격렬하게 교차시키며 강렬한 파동과 섬광을 내뿜으며 ・・・・. 한편, 자원 봉사 단체인 SRC(과학 조사 서클)의 지휘실에서는 의문의 우주 신호를 가로채고 있었다. 그 신호는 중저음과 기분 좋은 고음이 번갈아 가며 마치 대화를 나누는 것 같았다. 홀로 숲속 공원에서 하룻밤을 보낸 무사시 앞에 전투로 에너지를 잃은 울트라맨 코스모스가 나타났다! 그것은 그가 순수한 마음으로 울트라맨의 존재를 믿고 있었기에 가능했던 만남이었다. 무사시의 필사적인 도움으로 힘을 되찾은 코스모스는 '진정한 용사'라는 메시지와 수수께끼의 빛나는 돌을 남기고 사라졌다. 수수께끼의 우주 신호를 조사하던 SRC는 소년 무사시에게 협조를 요청했다. 그러던 중, 발탄 행성인의 소행으로 땅속에서 동면하고 있던 신괴물이 날뛰기 시작한다. 과연 지구는 구원받을 수 있을까? 울트라맨 코스모스는 나타나 줄 것인가? 무사시, 소년의 하루의 모험이 지금 여기서 시작된다.

태평양의 외딴 섬인 소겔 섬에 주둔하고 있는 과학자 팀은 기상관제 시스템을 완벽히 하려고 시도한다. 그들의 노력은 거대 사마귀와 늘 소란스러운 기자인 마키 고로가 섬에 도착하면서 방해받는다. 기상관제 시스템의 첫 번째 테스트는 순조롭게 진행되다 싶더니 섬의 중심에서 발생한 알 수 없는 신호로 인해 방사성 풍선의 리모컨이 걸려버리면서 실패하고 만다. 풍선이 폭발하면서 방사능 폭풍을 일으켜 거대 사마귀는 카마키라스로 변한다. 과학자들은 카마키라스들이 흙더미에서 알을 파내는 것을 발견한다. 알이 부화하면서 미니라가 태어나고, 과학자들은 미니라의 울음소리가 그들의 실험을 망친 방해의 원인이었다는 것을 깨닫는다. 곧 고지라가 미니라를 지키기 위해 돌진하면서 우연히 과학자들의 근거지를 밟으며 섬에 상륙한다. 고지라는 상륙하자마자 카마키라스 두 마리를 박살낸다. 한 마리는 반복되는 슬램을 뚫고 산산조각이 나고 다른 한 마리는 고지라의 방사열선에 폭사당한다. 세 번째 카마키라스는 고지라에 의해 몸이 꺾이면서 죽고, 마지막 한 마리는 결국 달아난다.

거대한 외계인 우주선이 악을 행하기 위해 지구로 향할 때, 세 명의 선량하고 강력한 슈퍼우먼들은 가메라와 특별한 관계가 있는 어린 소년과 친구가 된다. 외계인 자논은 외계인 침략자를 물리치기 위해 궁극적인 희생을 해야 할지도 모르는 가메라를 상대로 발포한다.