海洋汚染が進み、赤褐色となった駿河湾では、オタマジャクシに似た奇妙な生物が見つかったうえ、沖合でそれに似た怪獣によるタンカー事故が相次いで発生していた。漁師の吾平から奇妙な生物を持ち込まれた海洋生物学者の矢野は息子の研と共に海中に潜って調査を始めるが、矢野は海底で謎の生物に襲われて顔半分が焼け爛れる重傷を負い、研も海岸で巨大なオタマジャクシ状の生物を目撃する。
ゴジラが大好きな研は、「ヘドロだらけの海を見たらゴジラも怒るだろうな」と考える。研によって「汚れた海から生まれた怪獣」ということでヘドラと命名された謎の生物は、ある夜に工業地帯の煤煙やガソリンを求めて上陸し、スモッグを吸収する。ゴーゴー喫茶で踊っていた行夫とミキはヘドラに遭遇し、そこへゴジラが出現する。ゴジラとヘドラは激戦を繰り広げるが、決着は付かない。翌日、硫酸ミストによる被害が蔓延していた街で、矢野は散らばっていたヘドラの細胞から恐るべき生態を暴き、さらに2人の目撃談からヘドラの新たな能力を示唆する。
ヘドラは当初、夜間や雨天時しか上陸しないと思われていたが、成長したヘドラは飛行能力を得て白昼に出現する。ヘドラの飛行先では硫酸ミストが散布され、人々が次々と倒れていく。ゴジラも再び現れるが、ヘドラを倒すには至らず、取り逃がしてしまう。
ヘドラによる被害はますます増大し、深刻な社会問題となる。矢野は研のアイディアからヘドラを倒す方法を思いつくが、ヘドラはゴジラをしのぐほどに巨大化し、富士山麓に出現する。そしてゴジラも三度現れ、ヘドラとの最終決戦が始まる。
ヘドラはヘドロ弾でゴジラの左目を潰して右腕を白骨化させ、自衛隊が建造した巨大電極板も損傷させられるなどの被害が出るが、車のヘッドライトに引き寄せられたヘドラが電極板の間に入り、ゴジラが放射能火炎を放ったことで電流が流れ始める。300万ボルトの高圧電流を受けてヘドラは乾燥するが、乾燥していたのは体表だけであり、体内からは一回り小さなヘドラが出現する。飛行して逃亡するヘドラを、ゴジラは放射能火炎を推進力として用いた飛行で追跡して墜落させ、再び電極板の間に押し込みながらその身をむしり、高圧電流と放射能火炎で完全に乾燥させて駆逐する。
ゴジラは、ヘドラがここまで育った原因を作った人間たちの一部である自衛隊員たちを睨みつけて畏怖させると、静かに海へ帰っていく。その姿を、研は別れの言葉を告げて見送る。
かくして平和が戻ってきたかに見えたが、ヘドロだらけのどこかの海では、新たなヘドラが誕生しつつあった。
