日本の日高教授らは砕氷調査船「ちどり丸」で北極のエスキモー集落を訪れ、そこでアトランティス大陸にいたという謎の亀の調査中に、上空を飛行する国籍不明機を目撃する。ちどり丸からの通報によりこの国籍不明機をアメリカ空軍が追跡したが、反撃されたために撃墜する。だが、この国籍不明機は核爆弾を搭載しており、その爆発により、氷の下に8000年以上も眠り続けていたアトランティスの伝説の怪獣ガメラが突然目を覚まし、ちどり丸を撃沈して姿を消す。その後、世界各地で未確認飛行物体が目撃されるが、それとガメラを結びつける者はいなかった。
ガメラは灯台の光に誘われて突如、北海道襟裳岬に上陸する。人々を恐怖のどん底に落とし入れる一方、崩れかける灯台に取り残された少年・俊夫を救うという奇妙な行動も見せるが、さらに熱エネルギーを求めて羊蹄山の地熱発電所を襲撃する中、自衛隊による冷凍爆弾と発破でひっくり返ってしまう。後は餓死するだけと喜ぶ人々をよそに、ガメラは手足を引き込んでジェット噴流を噴射し始め、まもなく回転しながら空の彼方へ飛び立っていく。
ガメラは羽田空港から東京に上陸して都内を破壊していき、コンビナートで動きを止める。全国各地から集められる石油の熱エネルギーを次々と吸収するガメラに、人類はついに最終手段としてZプランの転用を決定。Zプランとは、伊豆大島に設けられた火星調査ロケットの前線基地のことであり、ガメラをこの巨大なロケットの先端カプセルに封じ込めて火星に追放しよう、というものである。ガメラを悪者扱いすることを俊夫が反対する中、東京湾から大島へのガメラ誘導作戦が始まる。
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ガメラは羽田空港から東京に上陸して都内を破壊していき、コンビナートで動きを止める。全国各地から集められる石油の熱エネルギーを次々と吸収するガメラに、人類はついに最終手段としてZプランの転用を決定。Zプランとは、伊豆大島に設けられた火星調査ロケットの前線基地のことであり、ガメラをこの巨大なロケットの先端カプセルに封じ込めて火星に追放しよう、というものである。ガメラを悪者扱いすることを俊夫が反対する中、東京湾から大島へのガメラ誘導作戦が始まる。