冬のある日、北海道・支笏湖近辺に巨大な隕石が落下した。すぐさま渡良瀬二佐を中心とした自衛隊が現場に急行したが、巨大なクレーターが発見されたのみで、不思議なことに隕石自体は影も形も見つからなかった。隕石の落下を目撃した札幌青少年科学館の職員・穂波とＮＮＴ職員の帯津は、それ以来、支笏湖周辺から札幌にかけて巨大なオーロラの発生や光ファイバー・ケーブルの消失といった謎の現象が起きていることに興味を持ち、調査を始めていた。そんなころ、札幌のビール工場ではガラス瓶の大量消失と怪獣らしき生物の目撃が確認され、偶然知り合った渡良瀬と穂波はお互いの情報を交換する。そして、隕石落下から5日目、ついに札幌の街に大きな異変が起きた。地下鉄構内に虫のように群れをなした異生物が出現し、地下鉄の乗客が襲われ、ビル街には巨大な植物体が現われたのだ。草体と思われるこの植物が種子を放出することによって札幌の街は潰滅してしまうのではないかと見られ、自衛隊もなす術がなかったが、すんでのところで現れたガメラが草体を破壊し、異生物の群れと戦った。群れを引き連れて飛び立ったガメラを追って地下からは巨大化した異生物レギオンが現れ、空の彼方へと消えていく。それからしばらくして、今度は仙台に小レギオンの群れと草体が出現した。ガメラも仙台に現れ種子の放出を阻止しようとするが、巨大レギオンに苦しめられて、わずかに及ばずに仙台の街は潰滅してしまった。レギオンとの戦いに力尽きたガメラは、死んだようにうずくまったまま動かなくなってしまう。穂波の調査が明らかにした草体とレギオンの生態関係によれば、レギオンは確実に次の標的を東京に持ってくるだろうと思われた。自衛隊は利根川近辺でその進行をくいとめようとしたが、勢力を増大したレギオンには歯が立たなかった。そのころ、仙台ではガメラとの交信能力を持つ少女・浅黄を中心とする、生き延びた子供たちがガメラ復活を懸命に祈っていた。彼らの願いが届き、奇跡の復活を果たしたガメラは、レギオンを倒すべく利根川へと飛ぶ。帯津の活躍で渡良瀬たちは巨大レギオンと群体レギオンの電波によるコミュニケーションを妨害して群体を退治し、巨大レギオンと一騎打ちとなったガメラは、ウルティメイト・プラズマを放ってレギオンをついに倒すのだった。こうして人類はガメラのおかげで再び平和を取り戻した。