Pada 1999, PLTN Janjira hancur misterius. Bertahun kemudian, Ford dan ayahnya Joe menemukan penyebabnya: kebangkitan monster purba. Kini, harapan umat manusia hanya pada Godzilla.
Film dibuka dengan gulungan arsip dari era 1950-an. Di layar, kita melihat rekaman uji coba bom nuklir yang mencekam. Personel militer mengenakan kacamata pelindung, awan jamur membubung ke angkasa. Namun, di antara kilatan cahaya yang membutakan itu, terselip anomali—sirip-sirip punggung raksasa yang ikonik muncul sesaat dari bawah ombak. Sejarah yang kita tahu ternyata adalah sebuah kebohongan. Uji coba nuklir itu bukanlah sekadar tes; itu adalah upaya putus asa untuk membunuh sesuatu. Upaya itu gagal, dan dari kedalaman, terdengar raungan protes yang menggetarkan dunia.
Kisah melompat ke tahun 1999. Sebuah helikopter milik organisasi misterius “Monarch” mendarat di lokasi ekskavasi raksasa di Filipina. Dua peneliti, Dr. Ishiro Serizawa (Ken Watanabe) dari Jepang dan asistennya dari Inggris, Dr. Vivienne Graham (Sally Hawkins), turun untuk menyelidiki. Sebuah anomali pembacaan uranium telah menyebabkan lokasi tambang runtuh ke dalam sebuah gua bawah tanah.
Di dalamnya, mereka menemukan pemandangan yang tak terbayangkan: kerangka fosil dari makhluk purba yang ukurannya melampaui imajinasi. Menempel di dinding gua, terdapat dua objek aneh seperti spora atau kepompong raksasa. Satu tampak utuh, namun yang lainnya telah pecah dan terbuka. Jejak kehancuran yang masif menunjukkan sesuatu yang sangat besar telah merangkak keluar dari gua ini, menuju lautan lepas.
Di waktu yang bersamaan di Jepang, seorang insinyur nuklir Amerika bernama Joe Brody (Bryan Cranston) diliputi kecemasan. Ia mendeteksi aktivitas seismik aneh dan berulang yang polanya tidak wajar, mendesak atasannya di Pembangkit Listrik Tenaga Nuklir Janjira untuk mematikan reaktor sebagai tindakan pencegahan. Atasannya mengabaikannya, menganggap getaran itu hanyalah gempa susulan dari Filipina.
Pagi itu adalah hari ulang tahun Joe. Putranya yang masih kecil, Ford, telah membuatkan spanduk ucapan selamat. Istrinya, Sandra (Juliette Binoche), seorang teknisi di pembangkit yang sama, mengingatkannya akan kejutan dari Ford sebelum mereka berangkat kerja. Joe menyuruh Sandra dan timnya turun ke zona reaktor untuk memeriksa kondisi pasca getaran.
Di ruang kontrol, saat Joe dengan panik mempresentasikan datanya, getaran hebat melanda. Lampu alarm menyala serentak. Reaktor telah bocor, dan Sandra terjebak di bawah sana. Joe bergegas ke pintu pelindung, menolak perintah untuk menutupnya demi memberi waktu bagi istrinya untuk melarikan diri. Sandra dan timnya berlari sekuat tenaga, namun seorang rekannya terjatuh. Ia berhenti untuk menolong, sebuah tindakan heroik yang merenggut detik-detik berharga mereka. Dari walkie-talkie, Joe mendengar suara Sandra yang pasrah, menyuruhnya menutup pintu untuk menyelamatkan kota. Dengan hati hancur, Joe menarik tuas. Beberapa detik setelah pintu baja itu tertutup rapat, bayangan Sandra dan timnya muncul di balik kaca tebal, sebelum akhirnya ditelan oleh awan radioaktif yang mematikan. Dari sekolahnya, Ford kecil hanya bisa menatap ngeri saat menara pendingin pembangkit tempat orang tuanya bekerja runtuh.
Lima belas tahun kemudian, Ford Brody dewasa (Aaron Taylor-Johnson) adalah seorang perwira Angkatan Laut unit penjinak bom. Setelah 14 bulan bertugas, ia pulang ke San Francisco untuk bertemu istrinya, Elle (Elizabeth Olsen), dan putra mereka. Namun, reuni manis mereka terganggu oleh panggilan telepon. Ayahnya, Joe, ditangkap di Jepang karena memasuki zona terlarang.
Ford terbang ke Jepang dengan perasaan enggan. Hubungan mereka merenggang sejak Joe mengalami gangguan mental pasca tragedi Janjira. Apartemen Joe kini seperti sarang seorang penganut teori konspirasi, dindingnya dipenuhi kliping berita, peta, dan catatan tentang ekolokasi dan gempa bumi yang “berbicara” satu sama lain. Joe terobsesi untuk mengungkap kebenaran di balik kematian istrinya. Ia memohon pada Ford untuk membantunya kembali ke rumah lama mereka di dalam zona karantina Janjira untuk mengambil data penelitian terakhirnya.
Dengan berat hati, Ford setuju. Mereka menyelinap ke kota hantu Janjira yang ditumbuhi tanaman liar. Anehnya, saat Joe memeriksa Geiger counter-nya, tidak ada radiasi sama sekali. Seluruh karantina ini adalah sebuah kebohongan besar. Setelah berhasil mengambil data lama Joe dari ZIP disk, mereka ditangkap oleh keamanan dan dibawa ke fasilitas yang dibangun di atas reruntuhan pembangkit listrik.
Di sana, mereka bertemu kembali dengan Serizawa dan Graham. Ternyata, spora kedua dari Filipina telah dipindahkan ke Janjira 15 tahun lalu dan diam-diam “memakan” radiasi dari reaktor, menjadi sumber dari getaran misterius yang dideteksi Joe. Saat mereka menginterogasi Joe, spora itu mulai memancarkan gelombang EMP yang semakin kuat. Serizawa memerintahkan untuk menghancurkannya dengan aliran listrik berkekuatan jutaan watt, tetapi sudah terlambat.
Makhluk raksasa bersayap dengan banyak kaki—yang kemudian disebut MUTO (Massive Unidentified Terrestrial Organism)—menetas dari kepompongnya. Ia melepaskan ledakan EMP dahsyat yang melumpuhkan seluruh fasilitas. Di tengah kekacauan, Joe terluka parah. Ford hanya bisa menatap ngeri saat ayahnya meninggal di helikopter evakuasi. Sebelum menghembuskan napas terakhir, Joe menatap putranya, obsesinya selama 15 tahun akhirnya terbukti benar.
Serizawa menjelaskan kepada Ford yang berduka. Ia menunjukkan rekaman arsip dari tahun 1954, mengungkapkan bahwa uji coba nuklir itu adalah upaya untuk membunuh makhluk purba lain, seorang predator alfa yang mereka sebut “Godzilla”. Getaran yang dipancarkan MUTO adalah panggilan kawin, dan panggilan itu telah membangunkan sesuatu dari kedalaman. Godzilla, sang penyeimbang alam, kini bangkit untuk berburu.
Ford sedang dalam perjalanan pulang melalui Hawaii. Di bandara, MUTO jantan yang bersayap muncul. Ia telah menyerang kapal selam nuklir Rusia untuk dimakan. Serangan udara diluncurkan, tetapi EMP dari MUTO melumpuhkan jet-jet tempur. Saat itulah, tsunami dahsyat menerjang Honolulu. Dari laut, Godzilla bangkit. Pertarungan pertama antara dua monster raksasa terjadi di tengah bandara, dengan Ford terjebak di dalamnya. MUTO berhasil lolos, terbang menuju daratan Amerika.
Serizawa dan Graham menyadari hal yang lebih mengerikan. MUTO jantan itu sedang menuju pasangannya. Spora kedua yang mereka kira tidak aktif, ternyata telah dipindahkan ke fasilitas limbah nuklir Yucca Mountain di Nevada. Di sana, MUTO betina yang lebih besar dan tidak bersayap menetas, memorak-porandakan Las Vegas dalam perjalanannya untuk bertemu sang jantan di San Francisco.
Militer AS menyusun rencana dengan memancing ketiga monster itu ke laut lepas dengan hulu ledak nuklir, lalu meledakkannya. Serizawa memprotes keras, menyebut rencana itu sebagai arogansi manusia. Dia tahu bahwa itu adalah tindakan sia-sia, bom itu hanya akan menjadi makanan bagi para MUTO.
Ford bergabung dengan tim yang mengangkut hulu ledak nuklir melalui kereta. Di tengah perjalanan, MUTO betina menyergap mereka di atas jembatan, melahap sebagian besar hulu ledak dan menghancurkan kereta. Ford menjadi satu-satunya yang selamat.
Kedua MUTO akhirnya bertemu di pusat kota San Francisco dan membangun sarang. MUTO jantan memberikan hulu ledak yang ia curi dari pangkalan militer kepada sang betina sebagai “hadiah pernikahan” untuk memberi makan telur-telur mereka. Kini, bom nuklir dengan penghitung waktu aktif berada di jantung kota.
Godzilla tiba, muncul dari bawah Jembatan Golden Gate dan memicu pertempuran klimaks. Ford dan tim pasukan khusus melakukan terjun payung (HALO jump) ke tengah kota yang gelap gulita untuk menemukan dan menjinakkan bom. Pertarungan tiga arah yang brutal pun terjadi. Godzilla kewalahan dikeroyok oleh sepasang MUTO. Saat tim menemukan bom dan sarang yang dipenuhi ratusan telur, mereka sadar bom itu tidak dapat dijinakkan.
Melihat telur-telur itu, Ford menyadari ancaman yang sebenarnya. Ia menyalakan truk tangki bensin dan meledakkan sarang tersebut. Ledakan itu membunuh semua calon bayi MUTO, membuat sang betina panik dan meninggalkan pertarungan. Momen itu adalah kesempatan yang dibutuhkan Godzilla. Ia menyambar MUTO jantan dengan kibasan ekornya yang dahsyat, menghempaskannya ke sebuah gedung dan membunuhnya.
Ford bergegas ke pelabuhan untuk membawa bom menjauh dari kota dengan perahu. Namun MUTO betina yang murka menghadangnya. Tepat saat ia akan membunuh Ford, Godzilla datang menolong. Ia mencengkeram rahang MUTO betina, membukanya paksa, dan menembakkan napas atom birunya yang ikonik langsung ke tenggorokannya, memenggal kepala sang monster.
Setelah pertarungan yang melelahkan, Godzilla yang terluka parah ambruk di tepi pantai. Ford, di atas perahu yang membawa bom, pingsan karena kelelahan. Helikopter penyelamat menariknya tepat sebelum perahu meledak di laut lepas.
Keesokan paginya, Ford bersatu kembali dengan keluarganya. Di jalanan San Francisco, tubuh Godzilla yang dianggap telah mati terbaring diam. Namun, tiba-tiba, ia bergerak. Sang raksasa perlahan bangkit, berjalan kembali ke lautan, dan menghilang di bawah ombak. Dunia kini mengenalnya bukan sebagai monster, tetapi sebagai kekuatan alam yang telah memulihkan keseimbangan.
