サンフランシスコ湾で3体の怪獣が衝突すると推測する軍指揮官のステンツ提督は、
芹沢の反対を押し切って戦略核兵器の使用許可を得る。
弾頭には電磁パルスの影響を受けないアナログ式の時限装置を使用し、3匹の怪獣を太平洋上へ誘引し、
殲滅する作戦が実行されることになった。米軍は2基の核弾頭を列車でサンフランシスコへ輸送しようと試みるが、
雌のムートーの襲撃を受けて弾頭1基を飲み込まれてしまう。
もう1基の弾頭はサンフランシスコ湾内への輸送には成功するものの、海上で雄のムートーに奪われ、
雌がサンフランシスコ市街地に築いた巣へ運ばれる。弾頭の起爆装置は既にカウントダウンを開始しており、
数時間後には逃げ遅れた市民が核爆発に巻き込まれてしまう。
フォードは弾頭起爆阻止を目的とした軍の部隊に参加し、HALO降下によってサンフランシスコ市内へ突入する。

湾内に浮上したゴジラはゴールデンゲートブリッジを破壊し市街地へ侵攻。
ゴジラはフォードの妻のエルが勤める病院の近くで2体のムートーと交戦する。
その傍らでフォードたちは弾頭を発見するが、その破損状態は激しく時限装置を停止させることが出来ない。
部隊は船で弾頭を洋上へと持ち去り、少しでも市街地から引き離す作戦に移行する。
一方フォードはムートーが既に巣に無数の卵を産み付けていることに気付き、
横転しているタンクローリーのガソリンを利用し巣全体を爆破する。

ゴジラは二体のムートーの連携攻撃に苦戦を強いられていたが、
巣が爆破されたことに気を取られた雌のムートーが戦闘を放棄したことで形勢が逆転、
熱線を放ち雌のムートーを一時的に戦闘不能にし、さらに襲ってきた雄のムートーを強烈な尻尾の一撃で倒す。
一方で核弾頭を奪われたことに気付いた雌のムートーが復活し部隊を壊滅させ、更にフォードに迫るが、
追って来たゴジラに熱線を放たれ絶命する。エネルギーを消耗したゴジラはその場に崩れ落ちた。
核弾頭はフォードによって小型船で洋上へ運ばれ、遥か遠くの沖合いで大爆発した。

翌朝、フォードは避難所のコロシアムに訪れ、そこで家族との再会を果たす。
一方で、瓦礫の中で死んだと思われていたゴジラが覚醒し、海へ戻り始めた。
万感の思いで見つめる芹沢らを背に、ゴジラは咆哮を上げ海中へと姿を消していったのであった。