海底火山が大噴火。三宅島も大噴火。地殻変動研究所は「これは富士火山帯の活動と言えます」と発表。そして富士山も大爆発。そこにガメラが現われるが、富士山の火口に消えていく。日本縦断高速道路を建設中の道路公団。中部地区のみ立ち退き反対運動のため計画が頓挫していた。中部地区の主任の堤は「富士山の調査活動が終了しなければ道路工事はできない」と進言するが、局長は「どうでもいいから早くしろ」と命令する。
ヘリコプターで富士山一帯を調べる調査団であったが、二子山からの怪光線によりヘリコプターは切断され墜落し、調査団の死体は発見できなかった。道路反対の運動に手を焼く堤は、村長の金丸に会わせろ、と要求するが拒否される。補助金を少しでも多くするため工事を長引かせようというのが金丸の作戦であった。工事現場から二子山が青く光るのを目撃した堤は、「あの山には金でもあるかもしれない。あの山は高速道路のルートにあたる。調査が必要だ」と部下に命じる。
調査団の墜落事故の原因を探る新聞記者は、金丸の孫英一を連れて二子山へ。青い光を発する洞窟にはいる二人。そこへ地震が。新聞記者は英一を置き去りにして、洞窟を出るが、そこで待っていた鳥のような怪物に食べられてしまう。英一もなんとか洞窟を出るが、怪物に捕まってしまう。そこへガメラが。鳥の怪物は口から怪光線を発し、ガメラの右腕を傷つける。ガメラは体当たりをくらわし、英一を甲羅に乗せて、英一の命を救う。
鳥の怪物は英一がギャオスと命名する。怪獣対策会議が開かれる。「ギャオスは動物学的に見て、鳥類ですか、爬虫類ですか」「しいて分類すれば怪獣類でしょう」「ギャオスの口から発する怪光線は」「それは超音波でしょう。それはギャオスの背骨が二股に分かれており、喉骨の部分が音さのようになっています。それでギャオスの鳴き声が数百万サイクルの音波となるのです」
「ギャオスの首は後ろに回らないわけですね」「なるほど、ギャオスを攻撃するには背後にまわればいいのですね」「あの青い光は」「あれは、空腹の時とか怒りの時とかに発する一種の威嚇光線です」「しかし何千年も昔の動物がどうして今ごろ出てきたんでしょう」「富士地下山脈の火山活動によって蘇えったんでしょう」「今のうちにギャオスを退治しないと大変なことになります。大都会にギャオスが現われた、と思うとぞっとします」
自衛隊はギャオスを攻撃するが、超音波により戦闘機は切断。ガメラが来るのを待つ英一だが、ガメラは海中で傷ついた右腕の治療をしていた。二子山で飼われていた牛や馬は動物の本能から危険を察知して逃亡する。村の連中は「早く、補償金をもらって、村を出たほうがいいんじゃないのか。おれはギャオスがこわいんだ」と訴えるが、金丸は「弱音をはいちゃいかんよ。そんなことでは安い値段で買い叩かれてしまう。わしにまかせておけ」と説得する。
英一は「ギャオスはおやつまえには出てこない。出るのは夜だけだよ」と堤に教える。ギャオスは夜行性で明るさに弱いのではないか、ということで夜に明かりをつけ、照明弾をぶっぱなし、夜でも明るくすることに。しかしギャオスは現われた。戦車隊は攻撃するが、ギャオスは翼で突風を巻き起こし、とうとう空を飛ぶ。名古屋を襲うギャオス。金のしゃちほこ輝く名古屋城崩壊。ギンギラギンに光輝く中日球場に集結する名古屋市民。狼藉の限りをつくすギャオス。そこへ負傷癒えたガメラが。
ギャオスの超音波光線をガメラの甲羅がはねかえす。ギャオスは胸から消化液を出し、ガメラの炎を消す。海中に落下するガメラ。ガメラはギャオスの足の指に食いつく。夜が明けて太陽が昇りはじめる。ギャオスの頭が赤く輝く。ギャオスは超音波を自分の足にあて、指をきりはなし二子山に戻る。口惜しがるガメラ。
海中に浮遊するギャオスの指。しかしそれは時間がたつにつれ、小さくなっていく。洞窟内で指の治療をするギャオス。とかげのように新しい指が生えてくる。ギャオスの指に紫外線光線をあてると、小さくなる。ギャオスの弱点は紫外線であった。「それでは昼間にギャオスをひっぱりだせばいいわけですな」「でも、動物の本能から昼間出てこないでしょう」「それではレンジャー部隊が洞窟内に侵入して、紫外線光線をお見舞いすれば」「あの大きなギャオスを倒すほどの紫外線装置は無理でしょう。となると、ギャオスを夜のうちに誘い出し、動けなくようにするしかない」
ギャオスを大きな丸い台に載せて、グルグル回せば、ギャオスはめまいをおこして動けなくなるのでは、と提案する英一。「そんな大きな丸い台なんてあるか」「あるよ。ホテルの上の回転盤」回転盤の上にギャオスをおびき寄せるべき人工体液をセット。仕掛けに乗って回転盤の上に来るギャオス。激しく回転する回転盤。あともう少しで夜明け。しかし電力がオーバーし、変電所は火事となる。ギャオスは消化液を出して、火事を消し、洞窟に戻っていく。
村人たちは、ギャオスが出るから、ひょっとしたら高速道路のルートを変更するかもしれない、と恐れて堤に土地を売ることを申し出るが、金丸は、抜け駆けは許さん、と激怒する。もしお金がもらえなければお前のせいだ、お前が金をだせ、おれは馬も牛もなくしたんだぞ、と詰め寄る村人に、おじいちゃんをいじめるな、と泣き叫ぶ英一。「山火事を起こせばいいんだ。ギャオスは火がきらい。ガメラは火が大好き。うちの山を焼けばいいんだ」
金丸は山火事作戦を進言。「今回の騒動は、欲の皮を突っ張らせたわしたちに、ギャオスがお灸を添える意味で出てきたような気がするんです」最後の作戦山火事作戦敢行。必死で消火活動をするギャオス。そこへガメラが。ガメラはギャオスの背後から襲う。ギャオスはガメラを空中に持ち上げ何度も落とす。ガメラは石を投げて、ギャオスの口を塞ぎ、超音波光線を出せないようにする。ギャオスの首にかぶりつくガメラ。夜が明けてくる。ガメラはギャオスをくわえたまま富士山の火口へ。火口から光線が。ギャオスの断末魔だ。富士火口からガメラがあらわれる。英一は叫ぶ。「ガメラ。ありがとう。さようなら」