In der Bucht von Tokio untersucht die japanische Küstenwache ein verlassenes Segelboot, nur um ihr Boot von etwas Massivem unter der Oberfläche zerstört zu sehen. Kurz darauf wird die Tokio-Bay-Aqua-Line überflutet und stürzt ein. Der stellvertretende Kabinettssekretär Rando Yaguchi wird nach dem Ansehen eines viralen Videos des Vorfalls überzeugt, dass die Zerstörung von einem lebenden Wesen verursacht wurde, eine Theorie, die von seinen Vorgesetzten zunächst abgetan wird, bis ein massiver Schwanz aus dem Ozean auftaucht.

Die Kreatur geht bald an Land, bewegt sich in kriechender Form durch die Stadt und hinterlässt eine Spur der Verwüstung und zivile Opfer, bevor sie sich auf zwei Beine weiterentwickelt und sich ins Meer zurückzieht. Während sich die obersten Regierungsvertreter auf Militärstrategie und zivile Sicherheit konzentrieren, wird Yaguchi mit der Leitung einer Task Force beauftragt, um die Kreatur zu erforschen. Hohe Strahlungswerte führen das Team zu der Theorie, dass das Wesen durch Kernspaltung Energie gewinnt. Die USA entsenden eine Sondergesandte, Kayoko Anne Patterson, die enthüllt, dass ein in Ungnade gefallener Zoologieprofessor namens Goro Maki Mutationen durch radioaktive Kontamination untersucht und das Erscheinen der Kreatur theoretisiert hatte, aber die USA seine Forschung vertuschten. Das verlassene Segelboot in der Bucht von Tokio gehörte Maki, der dort seine Untersuchungsnotizen hinterließ, bevor er verschwand.

Die Kreatur, nun nach Makis Forschung Godzilla genannt, erscheint in doppelter ursprünglicher Größe wieder und geht in der Nähe von Kamakura an Land, Richtung Tokio. Die japanischen Selbstverteidigungsstreitkräfte mobilisieren, aber ihre konventionellen Angriffe zeigen keine Wirkung und sie erleiden schwere Verluste. Die USA greifen ein, mit Bombern, die Godzilla angreifen, doch die Kreatur wird kaum verletzt und reagiert mit hochzerstörerischen Atomstrahlen, die aus ihrem Maul und den Rückenflossen abgefeuert werden. Die Schlacht zerstört einen großen Teil von Tokio und schießt auch den Hubschrauber ab, der die meisten der obersten japanischen Regierungsvertäger trägt. Nachdem es seine Energie erschöpft hat, fällt Godzilla in einen ruhenden, unbeweglichen Zustand.

Yaguchis Team entdeckt, dass Godzillas Flossen und Blut als Kühlsystem fungieren, was sie zu der Theorie führt, dass ein Gerinnungsmittel eine Reaktion auslösen könnte, um die Kreatur einzufrieren. Durch die Analyse von Gewebeproben finden sie auch heraus, dass Godzilla überleben kann, solange Luft und Wasser verfügbar sind, und sich asexuell fortpflanzen kann. In Kenntnis dieser Bedrohung informieren die Vereinten Nationen unter Führung der USA Japan, dass der Einsatz thermonuklearer Waffen gegen Godzilla unvermeidlich ist. Unwillens, erneut Atomwaffen in Japan detonieren zu sehen und ihre Karriere riskierend, nutzt Patterson ihre politischen Verbindungen, um Yaguchis Team so viel Zeit wie möglich zu erkaufen, um ihren Plan zu vollenden.

Unter intensivem internationalen Druck und mangelndem Vertrauen der Übergangsregierung gelingt es dem Team, genügend Gerinnungsmittel zu beschaffen und ihren riskanten Plan umzusetzen. Sie provozieren Godzilla, seinen Atomatem einzusetzen, bis es geschwächt ist, dann sprengen sie Sprengstoff in nahegelegenen Gebäuden, um die Kreatur aus dem Gleichgewicht zu bringen und ihren Kopf auf Bodennähe zu senken, damit das Gerinnungsmittel direkt in sein Maul injiziert werden kann. Obwohl viele dabei ums Leben kommen, gelingt der Plan und Godzilla wird fest gefroren. In der Folge sagt die internationale Gemeinschaft den Atomschlag ab, zwingt die neue japanische Regierung jedoch zuzustimmen, dass eine thermonukleare Bombe sofort gestartet wird, sollte Godzilla jemals wieder erwachen. Eine letzte, unheimliche Aufnahme von Godzillas Schwanz zeigt humanoide Skelettfiguren, die mitten im Herauswachsen aus dem Fleisch eingefroren sind.