“本次穿越世界，环太平洋。”
道云闭上眼睛，光芒笼罩下来，他消失在了别墅顶层的房间内。
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这部电影的故事背景发生在未来，2013年，太平洋深处出现一个称为‘突破点’的平行宇宙传送门，为一大群外星巨兽怪兽展开一条侵略的道路。
值得一提的是，这是一部由多个国家共同参与执导的电影，而其中作为奥特曼和怪兽的发源地，东瀛的怪兽文化已经深深进入全球人民的心，所以这所谓怪兽也是用的他们的语言翻译，直接称作kaiju。
接二连三的怪兽袭击造成人类伤亡和损失惨重，世界各国合作研发出能够和怪兽抗衡的武器机甲：猎人。
作为能够对抗怪兽的巨大机器人，需要由两名脑部神经网路互相串连{浮动神经元连结}的操纵者同步操作。最早的时候是由一人操作，后来发现根本无法控制机甲，便改良为双人操作模式。
靠着机甲猎人，人类开始抗击怪兽势力，为怪兽战役拉开序幕。
2020年，美国机甲‘吉普赛危机’负责拦截一只即将登陆阿拉斯加的怪兽鬼刀头时，驾驶员莱利和彦西·贝克特兄弟二人为了救一艘渔船，导致机甲严重损毁，目睹彦西阵亡的莱利单独作战并最终获胜。
回到海滩上获救后，在浮动神经元连结中感受过一次死亡的莱利决定放弃保家卫国的使命，留在海湾一带当建筑工人为生。
五年后，各国机甲猎人相继败阵，总指挥官史塔克·潘特考斯得知政府将不再资助他后，将各国仅存的四架机甲猎人：中国‘暴风赤红’、俄罗斯‘车诺阿尔法’、澳州‘冲锋发现号’以及修复升级完成的‘吉普赛危机’集体聚集至位于香港的基地，计划靠放置核弹来彻底摧毁突破点。
史塔克还找回如今当建筑工人的莱利，在测试莱利的副驾驶候选人时，莱利看中史塔克身边的日裔工程师森真子，和精通武艺的她对打平手后认定她是人选。
但在吉普赛危机试运行当天，莱利和真子首次通感时，双方都因为受到失去家人的过去阴影影响而分心，而真子也因为陷入她童年时失去父母、被怪兽追逐的回忆中无法自拔而险些酿成大错。
冲锋号驾驶查克·韩森因此斥责他们，但莱利也在真子的回忆中得知史塔克于数年前在东京救过她。
基地中的怪兽科学家纽顿·盖兹勒用一块摘取下来的怪兽大脑样本，进行史上第一次rén shòu通感实验，实际上黑市商人汉尼拔·周早就进行过一次与怪兽通感了，只是没有被曝出来而已。
而在实验成功下，纽顿得知近几年出现的怪兽都是只是一群复制的‘清道夫’，真正族群‘怪兽先驱’则在另一边等待消灭完人类后霸占地球，用尽所有自然资源后再移居别处。
史塔克为了确认信息而命令他重新进行实验，提议他去找怪兽黑市商人汉克尼拔·周得到样本，并表明他目前的资金都是汉克尼拔赞助。
这时，两只强大怪兽‘铁尾’与‘革龟’全速向香港前进，史塔克下令暴风赤红与车诺阿尔法前去拦截，冲锋发现号待命作为支援。
纽顿来到香港市中心找到汉克尼拔·周的店，对他表示来此目的时，汉克尼拔推断两只怪兽同时出现是因为群体智慧追踪到纽顿的通感而将他赶出去，纽顿便藏身到城市地下的公共避难所。
暴风赤红与车诺阿尔法在两只怪兽的联合攻击下双双落败，而革龟发出的电磁脉冲导致冲锋号与基地全部停电。
所幸的是，由莱利与真子操纵的吉普赛危机靠核供电归来，一雪前耻般的将两只怪兽全部消灭，让他们俩重获所有人的支持与欢呼。
史塔克在过来表示支持时开始流鼻血，於是对莱利供述他十年前在东京独自操纵机甲时救下真子的当天，长达三小时的过程而造成他身体长期辐射中毒。
当另外两只四级怪兽‘雷兽’与‘恶混’爬出并按兵不动地对突破点口进行看守时，史塔克决定代替因为手受伤的查克的父亲赫克，冒着生命危险而亲自陪查克移送核弹。
汉克尼拔的开采团队在第一时间来到铁尾的尸骸中搜刮，进入尸体中时发现铁尾的大脑早已在战斗中严重受损。
然而，纽顿靠里面的微弱心跳声来得知铁尾肚中怀孕一只小怪兽，小怪兽瞬间从肚子里爬出，将站在原地的汉克尼拔吞食后，最终被未割断的脐带勒死。
纽顿因此幸运获得一个完整的大脑，赫曼跑来和他会合后，决定一起利用小怪兽大脑进行通感。
不久，两架机甲猎人来到深海突破点边缘准备进行核弹投放工作时，纽顿与赫曼跑来通知说突破点的规律是根据怪兽身上的基因去判断物体，而核弹与机甲猎人因为没有携带任何怪兽基因而无法通过。
所有人茫然无措之下，史上第一只第五量级怪兽‘毒妇’从突破点爬出，两架机甲由於在水中无法使用陆上武器，受到三只怪兽的联合攻击下严重受损。
走投无路之下，史塔克与查克决定牺牲他们自己来为莱利和真子开一条路，与众人告别后引爆核弹，而现场只有毒妇受伤幸存。
莱利与真子冲向毒妇且跳进洞里后，用胸口的核反应炉将它直接烧死，与其尸体直接成功进入突破点里。
莱利先将缺氧的真子送入逃生舱离开后，一人与机甲穿越突破点来到另一边，开启核反应炉自我溶毁系统后