異常な温暖異変に見舞われた日本では、1月にもかかわらず猛暑が続き、連夜流星群が地球に飛来するなか、1つの巨大な隕石が黒部峡谷へ落下した。時を同じくして、警視庁の進藤刑事は非公式で日本に極秘来日するセルジナ公国のサルノ王女の護衛を命じられたが、彼女を乗せた特別機は暗殺者の仕掛けた爆弾によって墜落したことでそれは取り下げられる[56]。その後、金星人を名乗って地球の大変動を訴える男装の女性が東京に現れたが、予言を信じる者はいなかった。しかし、男装の女性が再び阿蘇山に姿を現し、ラドンの復活を予言すると、その直後に予言どおり、地殻に溜まった火山ガスの作用によって、阿蘇山の火口からラドンが出現する[56]。
進藤は古道具屋に黄金の腕輪を売ろうとした漁師の証言から、新聞で見た写真の男装の女性が死亡したはずのサルノ王女だと確信し[56]、単独で捜査を開始する。そのころ、テレビ出演のために日本を訪れていた小美人たちは、再び現れた金星人を名乗る男装の女性による「その船に乗ってはいけない」との予言を信じて船に乗ることを避ける。進藤の妹の直子は男装の女性を保護して小美人とともに横浜市内のホテルに宿泊したが、セルジナ公国から来た暗殺団も彼女をサルノ王女と見抜き、日本での潜伏先に選んだホテルを襲撃する[56]。しかし、小美人たちの機転と進藤の活躍により暗殺団の襲撃は失敗する[56]。そこへ、寿山号を太平洋上で襲って横浜港から現れたゴジラが上陸し、再びラドンも現れる[56]。
進藤たちは、サルノ王女の精神疾患を疑い、彼女を富士山麓にある精神医学の権威・塚本博士の研究所へ連れていくが[56]、診察の結果は正常と出た。実は、サルノ王女には金星文明の滅亡を避けて地球へ逃れてきた金星人の血が流れており、それが予知能力を発揮していたのだ。まもなく、5,000年前に金星を滅ぼした宇宙最強の怪獣キングギドラが姿を現すと語ったサルノ王女の言葉通り、黒部峡谷の隕石からキングギドラが誕生する[56]。
日本各地を荒らし回るキングギドラに対抗するため、小美人たちはインファント島から守護神モスラを呼び、モスラは自分と力を合わせてキングギドラと戦うよう、ゴジラとラドンに呼びかける[56]。ゴジラとラドンは「いつも我々をいじめていた人間を助ける義理はない」とモスラを拒絶するが、キングギドラに一方的に攻撃されながらも単身で立ち向かうモスラの姿に心を動かされ、加勢する[56]。こうして三大怪獣の猛攻を受けたキングギドラは、ついに宇宙へ逃げ去る[56]。暗殺団はキングギドラが起こした崖崩れによって全滅し、サルノ王女も自我を取り戻す[56]。
すべてが終わり、サルノ王女は進藤に抱いた淡い想いを明かしつつ、静かにセルジナへの帰国の途に就いた[56]。モスラと小美人たちもインファント島への帰途に就き、人類との争いを回避したゴジラとラドンは、海を渡るその姿を岸壁から見送るのだった。
登場キャラクター
ゴジラ
詳細は「ゴジラ (2代目)#『三大怪獣 地球最大の決戦』」を参照
ラドン
詳細は「ラドン (架空の怪獣)#『三大怪獣 地球最大の決戦』」を参照
モスラ
詳細は「モスラ (初代および昭和ゴジラシリーズ)#『三大怪獣 地球最大の決戦』」を参照
キングギドラ
詳細は「キングギドラ (昭和ゴジラシリーズ)#『三大怪獣 地球最大の決戦』」を参照
小美人
詳細は「小美人#『モスラ』および昭和ゴジラシリーズ」を参照
登場人物
進藤（しんどう）[57]
警視庁の刑事[出典 15]。年齢は20代後半[58]。ブローニングを愛用する[58]。来日するサルノ王女の護衛を命じられた[58][60]。王女の乗った航空機は墜落したものの、彼女に酷似した金星人と名乗る謎の女性に着目する。単独捜査の末、金星人が何らかの理由で記憶が混乱しているサルノ王女本人であると知り、やがてキングギドラの脅威と王女暗殺計画に巻き込まれていく[59]。
脚本第1稿では、麻薬捜査官という設定であった[53]。
進藤 直子（しんどう なおこ）[61]
進藤刑事の妹[出典 16]。東洋放送局員で、ラジオ番組『20世紀の神話』の担当記者[出典 17]。金星人を名乗る女性の噂を聞きつけ、兄とは別の形で彼女にアプローチするが、後に合流してともにキングギドラの脅威に立ち向かう。
村井（むらい）[62]
帝都工大の助教授で、黒部峡谷霞沢に落下した隕石の調査隊長を務める科学者[出典 18]。隕石から出現したキングギドラを目の当たりにし[63]、かつて取材を受けた直子と共に金星人を名乗るサルノ王女を追う[60]。進藤からは直子のボーイフレンドだと誤解される[63]。愛車は1964年製のトヨタ・3代目コロナ[60]。
塚本（つかもと）[64]
富士山麓の村に「塚本研究所」を構えている、精神医学の大家[出典 19]。警視庁からの依頼を過去に何度もこなしており、記憶の混乱したサルノ王女の治療を進藤に頼まれる[60]。検査を進めるうち、やがて王女がただの精神疾患ではないことに気づく[60]。
サルノ
セルジナ公国の王位継承者である王女[出典 20][注釈 8]。フルネームはマウス・ドゥリナ・サルノ[67][60][注釈 9]。