宇宙空間を漂う縞模様の五つの玉でできた宇宙船。「われわれのレーダーは我々が長い間も止めていた攻撃目標をキャッチした。レーダースクリーン始動」そこへ我らの地球が映る。「この地球の大気は酸素２１、窒素７８の混合大気で、アルゴンと炭酸ガス、希有ガスがあり我々が生活不可欠な窒素を多量に有している。我々の目標は地球を占領し植民地化すること。ではただちに攻撃する」
しかしそこにガメラが現れる。「こんな生物が地球にいるとは。聞いてないぞ。こいつは敵だ。こいつに攻撃開始」ジェット噴射を消されたガメラであったが、パワーで宇宙船を破壊する。「母なるバイラス星に告ぐ。１号機は破壊された。２号機をすぐに派遣せよ。地球上に恐ろしい生物を発見せり。その名はガメラ」
少年正夫は海底調査小型潜水艇に悪戯をして、直進と後退の電源のバッテリーを入れ替える。正夫は機械いじりに天才的な少年で、姉のボーイスカウトリーダーであるマリ子の時計型通信機のアイデアを考え出すほどであった。正夫と親友のジムは故障のように見せかけた潜水艇を操縦させろ、といってまんまと潜水艇の操縦権を得る。
そのころバイラス星の２号機は地球にやってきていた。「宇宙船乗員に告ぐ。第１号機の犠牲をムダにしてはいけない。あの地球を占領するためにはガメラを退治することが先決だ。地球攻撃の第一目標はガメラだ」
海底で正夫たちはガメラ発見。そのころ２号機もガメラ発見。「スーパーキャッチ光線発射」ガメラはプラスティックのカプセルのようなものに閉じ込められる。ガメラのそばで遊んでいた正夫たちの潜水艇も閉じ込められる。「ガメラ。助けてくれ。酸素が１時間しかないんだ」
ガメラはカプセルを持ち上げて隙間から潜水艇を脱出させる。「スーパーキャッチ光線の有効期間は１５分。１５分以内にガメラの弱点を捜さなくてはならない。ガメラの記憶をビデオトーンで再生し、過去を調査する」ガメラの頭の中がモニター画面に映され、北極での誕生シーン、バルゴンとの死闘、ギャオスとの死闘などが再現フィルムで流れる。「ガメラは恐ろしい破壊力を持った生物だが、人間の子供に異常なまでの好意を寄せるという弱点を持っている」
陸に戻った正夫たちはガメラを見たと言い張るが、ジムの撮った写真はフラッシュをたいていなかったため何も写っていなかった。しかしガメラが海中から現れ、自分達の行っていることが嘘でないことが証明され大はしゃぎで浜辺を駆け回る二人。その二人をスーパーキャッチ光線が捕らえる。「脳波翻訳装置開始」「ガメラに告ぐ。ガメラに告ぐ。お前が宇宙船を攻撃すると二人の少年の命はないぞ」
宇宙船は正夫たちを船内に吸収される。宇宙船はガメラに地上に降りるよう命令し、船内の正夫たちは気がつく。そこには黒尽くめの五人の男がいた。移動するのに空を飛ぶ彼らを見て「かっこいい」とつぶやくジム。五人はガメラに脳波コントロール装置を後頭部に貼り付けるのに成功。正夫たちは船内を探索し、ある部屋にたどりつく。「しかし腹がへったな。ジュースでも飲みたいな」
すると壁が開き、ジュースが現れる。「日本製のジュースよりうまいよ」「わかった。この宇宙船はテレパシーで出来ているんだ。よおし、パラシュートを出してくれ。あいつらをやっつける武器をくれ」しかし何も出てこず、目を異様に光らせた五人組が出現する。「よいか。この宇宙船のテレパシー実現装置にはセーフティ回路がついているのだ」「我々の宇宙船に対し危険なことを考えたらそのテレパシーは実現しないのだ」「お前達はガメラをコントロールする大事な人質だ。宇宙船内の自由な活動を許可するが、破壊活動は許されない」
「お前達は宇宙人か」しかし五人組は無言で立ち去る。正夫はテレパシーで果物を要求する。「正夫。何でそんなものを要求するんだ」「果物を要求すればナイフも出てくるだろう」「よおし、リンゴ。丸ごと頼むよ」しかし皮をむかれたリンゴがでてきて二人はがっかりする。
仕方なく船内を探索する二人。ある部屋に檻にいれられた頭部が三つに分かれたイカの化け物のような怪物を発見する。「あいつもきっとぼくたちと同じようにさらわれたんだ。そして動物園に送られるんだ」「可愛そうだな。助けてやろうよ」「馬鹿だな。僕たちもあいつも猛獣狩りに捕えられたライオンのようなものなのさ」
五人組はガメラに命じてダムを破壊させる。「ガメラ、次の目標は東京だ。東京を破壊せよ」東京タワーを破壊するガメラ。「次は東京湾の石油コンビナートを破壊せよ」地球はパニックとなり、自衛隊は二つの選択を迫られる。「宇宙人の言うとおり、地球は降伏するか。それとも正夫君とジム君の命を犠牲にして、宇宙船を破壊するか。その決定はまもなくニューヨークの国連本部より連絡がある」
正夫の無線機がマリ子につながる。「お姉さん。早くこの宇宙船を攻撃してください。僕たちのことはどうでもいいです」そこへ国連の決定が伝えられる。「地球降伏に決まった」「ダメです。早く攻撃してください」「正夫君。君の悪戯で何とかならないか。小型潜水艇のバッテリーを入れ替えたように」「わかりました。やってみます」
五人組はガメラに命令する。「地球人を皆殺しにしろ」そこへ正夫たちが檻の怪物が暴れていると嘘をつく。怪獣のいる部屋に飛んでいく五人組。その間に正夫は脳波コントロール光線とスーパーキャッチ光線のコイルを入れ替える。逆スーパーキャッチ光線により正夫とジムは地上に戻る。地上にいる正夫たちを見てあわてふためく五人組。「ガメラ。あの二人の少年を殺せ」
しかし逆脳波コントロール光線のためガメラは宇宙船を攻撃する。ますますあわてふためく五人組は怪物のいる部屋へ行く。「ボス。助けてください。無傷なのはこの部屋だけです」五人のリーダーだった怪物はバイラス星に連絡する。「母なる星バイラスよ。ガメラを殺害しないかぎり地球侵略は不可能。第２号機は帰還します」しかしガメラの攻撃のより帰還不能となる。クールな声で怪物は部下に告げる。「最後の手段だ。私はどんなことがあってもガメラを殺す。そのためにお前達の命をもらう」
五人組の首がちょんぎられ、その傷跡からモコモコと怪物が現れる。その様子を見ていた正夫が叫ぶ。「わかった。あの人たちはスーパーキャッチ光線で捕えられて、あの怪物たちがその中にはいりこんでいたんだ。人間の体を宇宙服代わりにしていたんだ」ボスの怪物に子分の怪物はどんどん吸収されて、ボスは宇宙怪獣バイラスとなり、ガメラに決戦を挑む。
ガメラはバイラスをジェットスキー代わりにして遊ぶが、頭に来たバイラスは頭頂部を硬いキリ状態にし、ガメラの腹に体ごと突き刺さる。ガメラはバイラスに突き刺されたまま、ジェット噴射で高度１万メートルの上空に舞い上がり、ジェット旋回をし、バイラスを振り落とす。海中に落ちたバイラスは悶絶死。バイラス星はガメラがいる限り地球制服は無理と判断し、第三号機の派遣をあきらめるのであった。