皆既月食を観測しようと森林公園でキャンプしていた小学5年生の少年・ムサシは、バルタン星人との戦いで傷つき倒れていたウルトラマンコスモスと出会い、彼を助けたことから真の勇者のみが持つことを許される輝石を与えられるが、誰もウルトラマンコスモスに会ったことを信じてくれない。そんな矢先、遺跡公園に伝説の薬使獣・呑龍（ドンロン）が出現した。だが、それは自らの失敗から破滅させてしまった故郷の星を捨て、地球移住計画を企むバルタン星人の仕業だったのである。異星人との共存を迫られる人類。大人たちが恐れる中、しかし、ムサシは理解し合えば異星人との共存もまた可能だと思うのだった。それから数日後、再び人類の前に現れたバルタン星人は、人類に対し宣戦布告、攻撃を開始した。宇宙や地球の謎、宇宙人と人類の問題に取り組むボランティア組織・ＳＲＣ（科学調査サークル）が平和的解決に臨むも、防衛軍国家緊急部隊・シャークスに邪魔され、却ってバルタン星人を暴れさせてしまう結果に。とその時、ウルトラマンコスモスが登場。ネオバルタンに変身したバルタン星人にルナモードで応戦した。ところが、バルタン星人は戦いの果てに自爆。実は、バルタン星人はまだ幼いチャイルド・バルタンたちを救いたかったのだ。それを知ったウルトラマンコスモスは、迎えに来たチャイルド・バルタンたちにバルタン星人の亡骸を渡す。地球の子供たちに自分たちの二の舞を演じないようメッセージを残し、宇宙へと帰って行くチャイルド・バルタンたち。そして、ウルトラマンコスモスもまた、ムサシと地球を守る真の勇者となることを約束して地球を後にするのだった。