環境汚染によるヘドロがもたらした宇宙怪獣ヘドラとゴジラの死闘の行方と、ヘドラを討伐すべく人類が奮闘する様を描く怪獣作品。
廃棄物や公害による環境汚染が深刻化する日本。生物学者の矢野徹は妻の敏江、ゴジラをヒーローと慕う息子の研と共に富士市で暮らしながら、駿河湾で相次いで捕獲される奇形魚と環境汚染に関する研究に取り組んでいる。ある時、地元の漁師の伍平が、獲れたばかりの異様に大きなオタマジャクシを矢野の元へ持ち込む。期せずして、巨大なオタマジャクシ形状の怪物が駿河湾に出現し、タンカーに衝突して大破させる事件が発生する。
矢野は早速、田子の浦に赴き、ゴミだらけの海底で潜水調査を行う。その最中、海岸で矢野を待つ研の前に、海中からタンカーを襲ったものより小さいヘドロ状の怪物が現れ、研目掛けて飛びかかる。研は咄嗟に持参したナイフで怪物に切りつける。怪物は海に戻っていくが、研は右手を酸で火傷する。間もなく、その怪物は水中の矢野に襲いかかり、矢野は頭部に重度の火傷を負う。研はその怪物を、ヘドロから生まれたのに因んでヘドラと命名する。矢野は療養を余儀なくされる。その後も各地でヘドラに因るものとされるタンカー事故が相次ぐ。
その後、矢野は伍平が持ち込んだオタマジャクシが固化している事に気付き、それが鉱物によりできていると推断する。更に矢野は、田子の浦で採取した泥水を用いて、ヘドロの中からヘドラの微小なオタマジャクシが生まれ、それらが融合する事によって大きくなっていく事を実証する。矢野はヘドラが成長し、陸に上がる様になるまでに対処する必要に駆られる。
その夜、矢野の予想通りに巨大化し、進化したヘドラは駿河湾沿岸部に上陸する。ヘドラは工場の排出する黒煙を吸い込み、成長の糧とする。そこへゴジラが現れ、ヘドラと対峙する。ゴジラは闘争の末にヘドラに放射熱線を浴びせるが、ヘドラは体からスパークを生じさせた後、海に逃げ込む。二体の闘争により街には死傷者と家屋倒壊などの甚大な被害が発生する。またヘドラの通過した跡は硫酸に因り金属類が腐蝕する。矢野家と親しい毛内行夫と富士宮ミキは現場付近を走行中に、二体の闘争を目撃しており、その様子を矢野に報せる。
矢野はその証言を元に港に調査に赴き、スパークの欠片を採取する。矢野はヘドラがヘドリュームという鉱物とヘドロからできており、それが故に放射熱線でスパークを散らしたのだと推測する。更に矢野は、ヘドリュームの触媒作用により物質が硫酸に変化し、金属を腐蝕させている事から、ヘドラが煙を吸い込み、膨大な硫酸ミストを排出する事で強烈な光化学スモッグが発生する事態を危惧する。その上で、矢野はヘドラが隕石に付着してやってきた地球外生命体だと推測する。
程なくして、太陽の光を避ける為に夜間か、或いは雨の日に再上陸すると予想されたヘドラが、日中に飛翔体形状に進化し、街に襲来する。ヘドラは街中に硫酸ミストを撒き散らした後、化学工場を襲撃し、更に夥しい数の車両を取飲み込む。そこへゴジラが現れるが、硫酸ミストの前に屈する。富士市西南部は死者1600名、傷病者3万名超を計上し壊滅状態に陥るも、高濃度の硫酸ミストが滞留し、救援活動が阻害される。
矢野はヘドラが核爆発に因るエネルギーで飛翔できる様になったと推測し、ヘドラが更なる武器を備える前に退治する策を思案する。矢野は研の乾かせば良いという指摘を受け、ヘドラを電極板で挟み、高圧電流によるスパークに曝す事で乾かすという妙案を思いつくと、早速実験に取り掛かる。矢野は首尾良くヘドロ由来のオタマジャクシの乾燥、固化に成功すると、自衛隊に連絡し、設備の手配を要請する。
政府は自衛隊に出動命令を発し、主要工業都市の沿岸警備を固めさせると同時に、工場の全面操業停止と市街地の自動車使用禁止を決定する。一方、毛内は富士宮、研と共に富士山の裾野に公害反対集会と称して100人余りの若者達を集め、キャンプファイヤーを焚き、歌って踊って馬鹿騒ぎを楽しむ。
その夜、60メートルを超えるまでに巨大化したヘドラが、田子の浦から北方へと飛行する。陸自はヘドラに砲撃を浴びせるが、通用せずにヘドラの進撃を許す。間もなく、再びゴジラが現れ、富士山麓でヘドラと対峙する。矢野は陸自から作戦の進捗を聞くと、療養中の体を押して、敏江に伴われて現地へ向かう。
ヘドラは挑発を繰り返すゴジラに、ヘドロの塊と怪光線を浴びせ、翻弄する。裾野に集まる若者達は迫り来るヘドラに松明を投げつけて応戦するが、その甲斐虚しく、ヘドラの投げつけるヘドロに塗れて、矢野を始めとする大半が死ぬ。ゴジラはヘドラの繰り出す有毒ガスとヘドロに苦しみ、劣勢を強いられる。
矢野と敏江は自衛隊が巨大電極板の設置した作戦拠点に到着し、作戦の推移を固唾を呑んで見守る。自衛隊は関東中部地区の電力を束ね、300万ボルトの電圧を都合し、ヘドラが電極板に接近するのを待つ。その最中、ゴジラとヘドラの闘争により、送電線が破壊され、自衛隊は直ちに復旧作業を開始する。
ヘドラはゴジラを撃退した後、電極板に接近する。自衛隊は車両のヘッドライトでヘドラを電極板の間への誘導に成功するが、送電線の復旧が間に合わず、手を拱く。そこへゴジラが駆け付け、放射熱線を電極板に吐きつける。電極間で生じた放電が、ヘドラをたちまち固化させる。ゴジラは活動を停止したヘドラの体内から、ヘドリュームの塊を二つ抜き取ると、再び放射熱線で放電を起こし、それを破壊する。ところが間もなく、固化したヘドロ溜まりの内部からヘドラが飛び立つ。ゴジラは放射熱線で飛翔し、ヘドラに追いつくと、体当たりを浴びせ、こっぴどく痛めつけた上でヘドラを再び電極板の間に連れて行く。自衛隊は送電線の復旧を終え、放電を開始するが、その矢先にヒューズが飛び、またしても作戦の中止を余儀なくされる。見かねたゴジラは再び放射熱線により放電を起こし、ヘドラを固化させる。更にゴジラはヘドラからヘドロ溜まりを徹底的に引き抜いてバラバラにした上で再度放電を起こし、ヘドラが完全に再起できない状態になったのを確認してその場を後にする。自衛隊に救助され、富士宮と共に難を逃れた研は、去りゆくゴジラに別れを告げ、見送る。
