电影将以上世纪1950和1980年代的双时间轴呈现，故事以张云林（张艾嘉饰）为核心开始，观众将看到以倒叙手法回忆1950年代年轻的张云林（李心洁饰）在二次世界大战后的生活。妹妹张云红（林宣妤饰）的过世使张云林陷入罪恶感之中，此时，她也遇见了日本籍园艺师中村有朋（阿部宽饰），协助她打造纪念花园，并开启一段揪心的爱情故事。

哥斯拉突然从海底出现，于东海村登陆将市内的建筑物及发电厂完全破坏，虽然自队向哥斯拉展开猛烈攻击，但却完全阻止不了它前进。另一方面，危机管理情报局的官博士于茨城县的海沟发现直径200米的古代陨石，後来陨石内的有机物质与哥斯拉相遇并自我进化成巨大怪兽奥加，而哥斯拉就与奥加在西新宿展开一场生死战。