南太平洋を航行中の第二玄洋丸は、突発的に発生したＡ型台風にまこまれて沈没した。船員のうち四人が、放射能の墓場といわれたロリシカ国の水爆実験海域のインファント島で奇跡的に救助され、帰国した。が、意外にも四人は放射汚染症状が全く見られなかった。日東新聞の社会部記者・福田善一郎は、女カメラマンの花村を連れて、核センターに原田原子力博士を訪ねた。船員の一人から無人島と思われたインファント島に原住民が生きていること、さらに原住民が飲ませてくれた赤い汁により、放射能障害はおろか普通以上の体力を取り戻せたことを聞き出した。日本、ロリシカ両国政府の申合わせでインファント島調査隊が結成された。日本側からは原田博士を副隊長に、言語学者中条信一ら有能な学者が参加した。上陸し、密林へ一人入った中条は、毒々しい色彩の吸血植物に襲われた。身長三十センチの小人の美女が彼を救った。小美人の歌うメロディに、中条は「島を荒らさないでほしい」の意味を読みとった。帰国した調査隊は、調査内容を一切発表しなかった。調査隊の事務係だったネルソンが、悪徳興行師としての正体を現わし、再びインファント島に上陸、小美人たちを奪うと、高い入場料で公開した。「モ……ス……ラ」彼女たちの歌うメロディは、テレパシィーによってインファント島の神殿に眠るモスラの卵に伝えられていた。やがて、全身白光色にきらめく巨大な幼虫が生れ、日本の方角の海に消えた。中条は、インファント島の洞窟で発見した碑文の謎を解き、モスラが小美人をさがして日本に来襲するだろうことを予知した。異常な速さで泳ぐモスラにエアゾールの集中攻撃をする大型機編隊。ロケット弾の集中砲火を浴びせる戦闘ジェット機隊。しかし、モスラの相手ではなかった。モスラは遂に東京都心へ現われ、国電やビルは粉砕された。ネルソンは国外脱出を図り、小美人をつれて大型セスナでとびたった。モスラは東京タワーに近づくと、巨大な口腔から糸を吐き始めた。幼虫からサナギへの完全三段変化が開始され、遂に巨大な蛾が現われた。巨大な蛾と化したモスラは小美人を求めてロリシカ国に飛んだ。壊滅する摩天楼。猛威を発揮したモスラは更に小美人を求めて暴れまわっていた。そのころロリシカ国政府に招かれた中条は福田、花村とともにネルソンを追いつめ小美人を取りかえした。一せいに鳴らされた教会の鐘。飛行場に白く書かれた十字架と太陽。それを目あてにモスラは静かに着陸した。かけよる小美人。遠くインファント島目ざして飛びさるモスラを見送りながら、人々は平和を祈るのだった。