石垣島で、ヒトデに似た生物・ベレームが大量発生し、人間が襲われるという事件が起こった。この異様な生物がこれ以上増えたら、世界中の海は死滅してしまう。インファント島で異変を察知したエリアスのモルとロラは、一路石垣島へと向かった。一方、石垣島では汐里という少女が毛玉のような生物・ゴーゴと友達になっていた。エリアスと出会い、それが失われたニライ・カナイ文明の秘宝のありかを知っている伝説の生き物であると聞いた汐里は、さらにゴーゴからニライ・カナイを滅ぼした怪獣ダガーラの復活を聞かされる。ダガーラを倒すにはニライ・カナイの秘宝の力が必要だった。クラスメイトの悪ガキ・洋二と航平の協力を得て、汐里とエリアスはニライ・カナイへと向かう。一方、秘宝を手に入れて地球を支配しようと企むモルとロラの姉・ベルベラは、ゴーゴを捕まえようとしていた地元の若者・小谷と長瀬を脅して味方に引き入れ、彼らに汐里たちの後を追わせた。石垣島沖にやってきた汐里たちは、海底に潜ったゴーゴに導かれ、目の前に出現した巨大なピラミッドに入っていく。ところがその時、ダガーラが姿を現した。ピラミッドのバリアーで汐里たちは難を逃れるが、ダガーラは石垣島を襲い始める。エリアスはインファント島からモスラを呼び、ダガーラの攻撃を阻止しようとしたが、水に潜れないモスラは苦戦を強いられた。ピラミッドの奥へ秘宝を探しに行った汐里たちは、ベルベラや小谷たちの防害に遭いながらも、ようやく秘宝の間へとたどり着く。そこでニライ・カナイの王女ユナに会った汐里たちは、ゴーゴこそがニライ・カナイの秘宝であることを知った。「ゴーゴをモスラのもとへ」という王女の言葉に、汐里たちは再びピラミッドの外へ向かって走り出す。ダガーラの攻撃により崩れ落ちそうになるピラミッドから、改心した小谷たちの協力もあって無事に脱出した汐里たちは、モスラのもとへと飛んでいくゴーゴに別れを告げた。ゴーゴのパワーにより、弱っていたモスラは復活、レインボー・モスラとなって水中での行動も可能になり、見事ダガーラを倒すことに成功する。こうして地球の危機は回避され、汐里たちは王女ユナから地球の未来を託された。