ゴジラに倒され四散したはずのメカゴジラは、何物かによって回収されていた。それを調査していた潜水艦は「恐竜だあ」という言葉を残して消息を絶つ。海洋研究所の一之瀬（佐々木勝彦）は恐竜を手がかりに追跡を進め、かつて恐竜存在説を唱えていた真船博士（平田昭彦）の存在に気付く。だが博士は自らを認めない社会に復讐するため、娘の桂（藍とも子）と共にブラックホール第３惑星人の地球侵略に荷担していたのだった。復活したメカゴジラと博士の操る恐竜チタノザウルスによる大進撃、その２体の前にゴジラが現れた……。