作为当今日本影视圈占有一席之地的青年实力派演员，山田孝之似乎并不满意目前所取得的成就。为此，他请来与之有过合作的导演山下敦弘，阐述了自己的想法：即山田本人担任制作人拍摄一部电影，最终目标则是勇夺国际三大电影节之一——戛纳电影节大奖。山田言出必践，率先成立了自己的公司。他计划将某个变态杀人狂的故事搬上银幕，而请来的主演居然是以“治愈”“可爱”为标签的童星芦田爱菜。这一连串不按常理出牌的神展开令山下导演瞠目结舌，但他还是被山田制作人绑架去了解日本电影市场、戛纳影展的流程、获奖的可能性，甚至还拍了一个样片四处“蒙骗”制作费。
不靠谱的企划逐渐成型，山田孝之的戛纳之梦近在咫尺……

接續前作“哥吉拉X機械哥吉拉”的故事，一年前與哥吉拉（Godzilla）的決戰，機龍（機械哥吉拉Mechagodzilla）受損程度37%，失去了右腕及終極武器-絕對零度炮。
維修組員中條義人在八王子基地負責修復機龍的工作。某日中條在他叔叔信一的別墅家渡假時，嬰兒島的小美人精靈竟然出現在他們眼前。小美人給他們一個忠告：人類用哥吉拉骸骨製造出機龍是個嚴重的錯誤，如果出動機龍，摩斯拉就會變成人類的敵人。於是信一設法說服老友也是身為總理大臣的五十嵐，希望能中止機龍的計劃。但就在此時，太平洋又出現哥吉拉的影蹤…
2004年是哥吉拉登上大銀幕的50週年，上一部作品“哥吉拉X機械哥吉拉”中，以1954年第一代哥吉拉的骨骸做成的機龍首次登場，與哥吉拉展開熾熱的戰鬥。在這次，哥吉拉同類的戰爭終於接近尾聲。關鍵就在曾經襲擊過東京的摩斯拉與嬰兒島的小美人。一直守護著摩斯拉與小美人的語言學者中條信一，將這個任務交棒給他在機龍維修隊任職的外甥義人，或許能感受到哥吉拉系列電影的歷史承傳吧！
關於精彩的戰鬥場面，象徵東京的名勝如國會議事堂與東京鐵塔等都被如數破壞，與之前的作品相較其迫力有過之而無不及。特效方面更不在話下，電影裡人與人之間的感情關連也是值得一看的地方。義人內心的糾葛，與操作員之間的對立等等複雜的感情也有許多深刻描寫。