Zwei Jahre nach ihrem ersten Kampf gegen die böse Organisation Shocker haben sich die beiden Cyborg-Helden, bekannt als Kamen Riders, getrennt. Takeshi Hongo, Kamen Rider 1, führt nun ein ruhiges Leben als ein von Problemen geplagter Highschool-Lehrer für Naturwissenschaften und versucht, seine Identität geheim zu halten. Hayato Ichimonji, Kamen Rider 2, verbirgt ein dunkleres Geheimnis: Sein Körper stößt langsam die kybernetischen Verbesserungen ab, die ihm seine Kräfte verleihen, und er weiß, dass seine Zeit knapp wird.

Eine Reihe bizarrer und grausamer Morde erschüttert die Stadt. Die Opfer werden alle verstümmelt aufgefunden, und an jedem Tatort läuft der Popsong Platinum Smile von der Teenager-Idol Chiharu Kazami. Das Lied wird schnell zu einer urbanen Legende, von der es heißt, sie sei verflucht. Eine von Hongos Schülerinnen, ein problembeladenes Mädchen namens Kotomi Kikuma, war Chiharus beste Freundin und macht sich große Sorgen um sie. Gemeinsam beginnen Hongo und Kotomi, nach der vermissten Sängerin zu suchen, was sie zu ihrem älteren Bruder, Shiro Kazami, führt.

Einst Präsident eines Technologieunternehmens namens ExaStream, ist Shiro eine kalte und rätselhafte Figur. Hongo und Kotomi entdecken bald, dass er mit Shocker unter einer Decke steckt und in den mächtigen Kamen Rider V3, Codename Hopper Version 3, verwandelt wurde. Er verbündet sich mit zwei neuen Shocker-Monstern, der klingenbewehrten Scissors Jaguar und der sinnlichen Chainsaw Lizard, die einst seine eigene Sekretärin war, sowie mit einem Trupp von sechs bösen Shocker Riders, um Hongo zu eliminieren. Die Double Riders sind gezwungen, sich erneut zu vereinen, um zu überleben, aber sie sind V3s überlegener, durch Nanobots verstärkter Kraft nicht gewachsen.

Die Suche nach Chiharu enthüllt eine schreckliche Wahrheit. Die echte Chiharu wurde versehentlich denselben Shocker-Nanobots ausgesetzt, die ihren Bruder verwandelten. Nachdem sie von eifersüchtigen Rivalen entstellt wurde, trieb man sie in den Selbstmord. Ihre Talentagentur vertuschte ihren Tod und zwang die Rivalen, die sie angegriffen hatten, zu Imitatoren zu werden und ihren letzten Song, Platinum Smile, zu veröffentlichen. Doch die Nanobots in Chiharus Leiche funktionierten nicht richtig und erweckten sie als tragisches, schrecklich mutiertes Monster wieder, das jeden tötet, der ihr Lied hört.

Während Shocker sich darauf vorbereitet, seine Nanobots in ganz Japan freizusetzen, um die gesamte Bevölkerung in Cyborgs zu verwandeln, treffen die drei Riders zur letzten Schlacht aufeinander. Hongo und Ichimonji kämpfen gegen Scissors Jaguar, während Shiro Kazami, entsetzt über das, was Shocker seiner Schwester angetan hat, sich gegen die Organisation wendet. Als Kamen Rider V3 zerstört er Chainsaw Lizard und die Nanobots, muss sich aber dem monströsen, leidenden Wesen stellen, zu dem seine Schwester geworden ist. In einem emotionalen Höhepunkt bittet Chiharu ihn, ihr Leid zu beenden, und er gewährt ihr widerwillig ihren Wunsch mit einem finalen Angriff.

In der Folge verlässt Ichimonji, dessen Körper endgültig versagt, um seine letzten Momente allein in seiner Lieblingsbar zu verbringen, und erkennt Hongo als seinen besten Freund an, bevor er stirbt. Shiro Kazami beschließt, ein neues Leben zu beginnen, und Hongo muss seine Lehrtätigkeit aufgeben. Obwohl Chiharu fort ist und die unmittelbare Krise überwunden wurde, zeigt eine Szene nach dem Abspann, dass der verfluchte Song Platinum Smile immer noch Opfer fordert, was darauf hindeutet, dass ihr rachsüchtiger Geist noch keinen Frieden gefunden hat.