遙けき眠りから蘇った巨大なカメの怪獣ガメラの脅威から平和を守るべく、科学者達が総力を結集して奮闘する様を描く特撮怪獣作品。
東京大学・動物学教室の日高教授は、数千年前に北極海に存在したアトランティス大陸に棲息していたとされる巨大な亀に関する仮説を立証すべく、助手の山本と新聞社カメラマンの青柳と共に、探検船ちどり丸で北極付近のエスキモー部落に訪れる。ちどり丸から下船した日高達が部落の老酋長に話を聞いている最中、上空に四機の国籍不明の小型機が飛来する。ちどり丸からその報せを受けた米軍司令部は、レーザーに映らない不審機を基地へ誘導する様に、哨戒中の戦闘機に命じる。不審機は戦闘機の呼びかけに応答せず、攻撃を仕掛けてきた為、戦闘機は不審機を全て撃ち落とす。不審機が墜落すると、機体に搭載されていた原爆が爆発し、その衝撃で割れた氷山から巨大なカメの怪獣ガメラが出現する。ガメラは協力な妨害電波を発し始める。
遠方にきのこ雲を確認した日高達は調査を中止し、ちどり丸に引き揚げる事を決意する。別れ際、老酋長は祖先から伝わるという伝説の石を日高に託す。その石にはエスキモーに悪魔の使者と恐れられるガメラの姿が描かれており、日高は自説が正しい事を確信する。一方、ガメラはちどり丸を襲撃し、沈没させる。米軍司令部は、ちどり丸からの最後の通信で、60メートル大の巨大な亀が出現したとの報せを受け、直ちに偵察機を出動させるが、ガメラは沈没地点から姿を消す。
日高達はニューヨークへ赴くと、会見で自説を開陳し、原爆で氷山が割れる事で、ガメラが数千年来の冬眠から蘇ったという見解を発表する。日高はガメラが大量の放射能を浴びているだろう事から、早晩死ぬだろうと推定する。ガメラ出現の報せは世界中を震撼させる。日高達は帰国の途に就く。程なく、世界各地で光を放つ空飛ぶ円盤の目撃が相次ぐ様になる。
襟裳岬の灯台守を務める桜井の小学生の息子俊夫は、早くに母を亡くし、また桜井の職業柄、転校が多い事から、友達を作ろうとせず、ペットのカメのチビに執心する。そんな俊夫の将来を慮る姉の信代と桜井は、チビを捨ててくる様に俊夫に促す。俊夫はすぐに迎えに来るつもりで夜の海岸にチビを放す。そこにガメラが現れる。俊夫は桜井の制止を振り切って灯台の上に登る。ガメラは灯台を破壊するも、その際に落下した俊夫を拾い上げ、地上に戻すと、再び海に姿を消す。俊夫はガメラに親しみを抱く。
翌日、帰国した日高は、北海道にガメラが現れたとの一報を受け、その足で北海道へ向かう。一方、俊夫は放した場所でチビを見つけられずに落胆するも、チビがガメラになったのでは無いかと考える。程なく、陸自の偵察機が、内陸の地熱発電所に向かうガメラを発見する。
東千歳の陸自駐屯地に到着した日高達は、司令官からガメラへの対抗策について意見を求められる。日高は発電所の総出力をガメラ撃退に利用する事を提案する。陸自は発電所に部隊を集結させ、迎え撃つ準備を整え、日高達は発電所に移動する。ガメラが送電線に接近すると、日高は発電所に総出力放電を指示するが、ガメラはそのエネルギーを吸収する。作戦の失敗を受け、陸自部隊は一斉に攻撃を開始するが、ガメラは爆炎をも吸引する為、部隊は攻撃を中止する。
日高は北大生物学科古生物教室の村瀬教授を訪ね、ガメラの特性について見解を求める。村瀬は戦争兵器でガメラを倒す事は不可能だと推断し、石に描かれた絵に真実が隠されている可能性を説く。一方、陸自司令は窮余の策として、米軍司令部に核ミサイルによる攻撃を手配する。発電所に桜井、信代と共に駆け付けた俊夫は、攻撃の中止を懇願する。戻ってきた日高と村瀬もそれに賛同して攻撃の中止を要請し、司令はそれに応じる。
発電所はガメラに完全に破壊される。日高はガメラが低温に弱いと推測し、陸自に冷凍作戦を提案する。司令は奇遇にも、陸自の研究所で冷凍爆弾を開発しており、10分しか効果が持続しないながらも試作品が完成済みである事を明かす。ガメラが発電所から離れ、集落に向かい始めた為、日高達は冷凍爆弾に望みを託す事を決意する。ガメラは冷凍爆弾を浴びた途端に動きが緩慢になる。陸自はその隙に岩盤を爆弾で破壊し、ガメラを転落させ、首尾よく裏返しにする事に成功する。日高達はガメラが自力で起き上がれないと推測し、餓死する事を期待する。間もなく、ガメラは頭と手足を甲羅の中に引っ込め、炎を噴射して浮上し、夜空に飛び去る。日高達は石にガメラと共に描かれていた波状の模様が雲であり、各地で目撃された円盤がガメラだったと確信する。
日高は防衛庁内のガメラ防衛対策本部に詰める。一方、信代と俊夫は、倒壊した灯台が再建するまで築地の実家に身を寄せる事になり、日高の元を訪ねる。俊夫はガメラは本来おとなしく、寂しいから友達を探しているのだと訴える。一方、東海村日本原子力研究所では大量の核燃料を保有している事から、ガメラの襲撃を危惧し、対処に追われる。また、東京では漁獲量の急減、高潮被害、電波妨害など原因不明の事態が相次ぐ。日高はそれらの原因の元がガメラであり、ガメラが東京湾の海底に潜んでいると推測する。
アメリカ、ソ連を始めとする世界中の科学者が来日し、日高の主導するガメラ対策に協力する意向を示す。日高達は伊豆大島に、世界中の科学の粋を集めて建設中の実験設備「Z計画」を、ガメラ撃退に利用する方針で一致する。その夜、ガメラが東京都心を襲撃する。ガメラは街を火の海に包み、東京タワーを倒壊させるなど、甚大な被害をもたらす。
翌日、信代は俊夫を連れて郊外に疎開しようとするが、その直前に俊夫が行方をくらます。ガメラは川崎の石油コンビナートに居座り、炎を吸引し続ける。Z計画の完成まで24時間を要する一方、コンビナートの石油は８時間で燃えきってしまう事から、日高はガメラをコンビナートに釘付けにすべく、石油の補給を要請する。間もなく、コンビナートでは貨車で石油タンクをガメラの元へ送り込む作業が始まる。俊夫はその中の一両に忍び込んで、ガメラに接近を企てるが、作業員に見つかり、追い出される。Z計画が完成し、島民の避難が始まる。海上保安庁は川崎からZ計画用の機材を船で搬出する。俊夫は荷物に忍び込んで伊豆大島に向かうが、到着するや否や発見される。俊夫はガメラが心配でやってきたと訴え、日高に理解を求める。
間もなく、日高の指示の下、Z作戦が開始される。タンカーが川崎から大島へかけてガソリンを放流した後、火が放たれる。ガメラは海を伝う炎に導かれて大島へ移動する。期せずして、大型の台風が接近し、炎が掻き消されてしまい、ガメラは引き返そうとする。そこに作業員として潜入していた青柳が、小屋に火を放ってガメラの注意を引きつける事を提案する。日高達はそれに応じ、ガメラの上陸を誘うが、大雨で火が沈下する。その時、島の火山が噴火する。ガメラは火口に向かい始める。
噴火が収まると、日高達はZ計画施設内にガメラを誘導し、宇宙ロケットの先端部に格納する。ロケットは火星へ向けて打ち上げられ、日高達は成功裏にガメラの脅威を排除する。俊夫はいつか科学者になって火星のガメラに会いに行く事を夢見ながら、ロケットを見送る。
