Nachdem der Nuklearwissenschaftler Joe Brody und sein beim US-Militär stationierter Sohn Ford herausfanden, dass der skrupellose Ichiro Serizawa nach einer Beinahe-Reaktorkatastrophe im japanischen Janjira an einer riesigen, urzeitlichen Kreatur herumexperimentiert, konnte gegen das "Muto" getaufte Wesen nur einer etwas ausrichten: Godzilla. Jetzt müssen die Krypto-Zoologen von Monarch allerdings einen Weg finden, gleich mit einer Reihe von Urzeit-Monstern fertig zu werden. Eine entscheidende Rolle dabei spielt die Paleo-Biologin Emma Russell (Vera Farmiga), die einen Weg gefunden hat, via Sonar mit den gigantischen Wesen zu kommunizieren. Neben Godzilla, mit dem vor allem Russells Ex-Ehemann Mark (Kyle Chandler) eine Rechnung offen hat, sind es vor allem dessen Feinde Mothra, Rodan sowie der dreiköpfige King Ghidorah, die den Lebensraum der Menschen für immer zerstören könnten ...

Gerade war US-Soldat Colter Stevens noch im Kriegseinsatz, plötzlich findet er sich in einem Zug nach Chicago wieder - an der Seite einer jungen Frau, die ihn kennt, er sie aber nicht. Kurz darauf explodiert der Zug, und eine Stimme instruiert Stevens, dass er wieder zurück muss. Dank einer revolutionären Technologie kann er im Körper eines Passagiers die letzten acht Minuten vor der Explosion wiederholt miterleben, damit den Bomber ermitteln und dessen nächsten Terroranschlag noch am gleichen Tag verhindern.