不畏懼失敗，第三惑星人又有了佔領地球的新計劃，將機械哥吉拉的頭及身體從海底撈起，他們建造了機械哥吉拉2。外星人邀請真船博士加入他們的計劃。真船博士在數年前在小笠原群島發現雷龍，並建造了可控制牠的儀器，由他的女兒桂子操縱。可是沒人願意相信，於是真船便被逐出科學界，因此他急切想對人類報復。

    渴望展示雷龍的威力，真船將牠從海底釋放，攻擊日本破壞橫須賀。自衛隊抵擋不住這頭怪獸，但哥吉拉出現並把牠打敗。在戰鬥中，真船桂破壞了對付雷龍的超音波武器，但她在逃脫時中彈。外星人可以運用他們的人工頭腦科技拯救博士的女兒，過程裡，他們把控制機械哥吉拉的控制器裝在桂的身體中，以免被發現，同時她身體也變成半人半機械。

     在真船桂體內的控制器控制下，機械哥吉拉與雷龍以復仇之姿進攻東京。雷龍使用牠的尾巴鼓起強風把城市吹平，機械哥吉拉也以彩虹光線與最新發展的飛彈加入破壞的行列。哥吉拉來到東京向入侵者挑戰，然而他輸了。深受重傷，哥吉拉被兩隻怪獸活埋在大量泥土下。

     超聲波產生器再度被修好並且運用在抵抗雷龍。這導致恐龍受到巨大痛苦而與真船的連繫也被切斷。當機械哥吉拉打算破壞產生器時，哥吉拉從被活埋處出現攻擊它。哥吉拉穿越機械哥吉拉不可思議的飛彈與雷射彈幕，與它搏鬥。哥吉拉接著將機械哥吉拉的頭拔下來，但機械哥吉拉仍然持續反擊。

     國際刑警組織的人員闖入外星人的基地擊退外星人，真船博士在突襲行動中身亡。真船桂的人性被激起，雖然她是半人半機器，她瞭解到唯有毀掉身體裡的控制器才能毀滅機械哥吉拉；她舉起手槍朝向自己，這破壞舉動使得機械哥吉拉停止活動。哥吉拉在機械哥吉拉逃脫處將它投入埋葬場，並且毀了它。雷龍仍可以攻擊哥吉拉，但被哥吉拉丟到海裡。牠的任務完成了，在落日中，哥吉拉緩緩地從海平面的彼端消失。