信一が旧友でもある五十嵐隼人首相に直接、この件を進言したことから、事態は問題化することになる。政府にとって機龍はゴジラ対策の要であり、モスラは日本を襲撃した外敵に他ならないからだった。政府は機龍の代わりにはならないとしてこの請願を棄却し、先の対ゴジラ戦で大きく損傷した機龍の整備を急がせる。
やがてゴジラが東京に上陸した。その進路上には機龍のいる八王子駐屯地がある。一方、信一の孫・瞬はモスラを呼び寄せるため、学校の校庭に机を持ち出してインファントの紋章を描く。ゴジラが品川埠頭の防衛ラインを突破したその時、どこからともなくモスラが飛来、ゴジラと激突する。
五十嵐は機龍の出動を待機させるも、モスラはゴジラの攻撃に傷ついていく。その姿を見た五十嵐はモスラ援護のため機龍の出撃を決定し、同時にこれを機龍最後の出撃とすることを決意する。ゴジラとの死闘の中、モスラが倒れ、機龍もゴジラとの近接戦闘で回路を破壊され起動停止に陥るが、義人の修理により再起動を果たす。しかし作業中に受けたダメージでハッチが損傷し、義人は機龍のメンテナンスブースに閉じ込められてしまう。
だが、クレジット後、ゴジラを含む巨大生物のDNAが保存されている特生自衛隊・特殊生物研究本部のとある研究施設の内部が映し出される。そこではゴジラを含む巨大生物のDNA保管庫の扉が閉まり、その前を研究員と思わしき白衣姿の男性が通り過ぎる中、培養細胞による再生実験開始の時刻を知らせるアナウンスが流れていた。
スタッフ.
参照：
製作.
企画経緯.
。富山によれば、手塚は新しい脚本家と組むことを望んでいたといい、脚本家の立場から世界観を緻密に構成できる人物として、SFのセンスとストーリーを深掘りすることができる横谷が適任であったという。また、手塚が脚本を手掛けたことにより、前作から引き続く世界観をしっかり描き出し、手塚自身の怪獣映画に対する愛情を活かしてくれたと評している。
テーマ、ストーリー.
リアルなSF考証を行っていた前作に対し、モスラはファンタジックな存在のため、横谷は両者を違和感なく合わせることが課題であったと語っている。手塚は、前作でも扱っていた「命」をテーマとしてストーリーを構成し、本作品でその結論を描いている。