父のようなゾイド乗りを目指す少年バンは、盗賊に追われ逃げ込んだ遺跡の中で、カプセルから誕生したオーガノイドのジークと遭遇する。ジークの力で辛くも危機を脱したバンは、同じくカプセルから生まれた少女フィーネと出会い、フィーネの失われた記憶を求め「ゾイドイヴ」探しの旅に出る。賞金稼ぎのアーバインや運び屋のムンベイとの出会いや、ガイロス帝国軍の中で最強のゾイド乗りで黒いオーガノイド・シャドーを相棒にする少年レイヴンとの死闘。惑星Ziに新たな戦禍を巻き起こし、支配者として君臨する事を目論む帝国摂政ギュンター・プロイツェンの陰謀との闘いを経て、バンはゾイド乗りとして成長していくのだった。
古代ゾイド人の滅亡後に地球人類が移民団として入植した惑星Zi・西方大陸ではヘリック共和国とガイロス帝国の激しい戦争が行われていた。それが停戦してから20年後。再びヘリック共和国軍とガイロス帝国軍の間で、再び一触即発の緊張感が高まりつつあった。その前線司令官であった共和国軍ハーマン大尉と帝国軍シュバルツ少佐はともに停戦条約に則る腹積もりだったものの、帝国側の交戦派であるギュンター・プロイツェン元帥と、その意図を汲んだマルクスの工作によって両軍の交戦が開始される。その後共和国軍と帝国軍は何回かの攻防戦を行った末に、帝国軍が氷山に偽装した大部隊をニューヘリックシティ目前にまで到達させることに成功する。しかし、その際に帝国皇帝ツェペリンが死去。皇位継承権を持つその孫ルドルフは和平を望んだため、帝国軍の撤退命令と共和国への講和を持ちかけた。しかし、共和国侵攻の野心を捨てていなかったプロイツェンは共和国の犯行と偽装し、ルドルフ暗殺の陰謀を企てる。途中、ルドルフ誘拐事件など幾つかのアクシデントを経たあと、皇位継承者の証である皇帝の指輪を入手したプロイツェンは、それを証拠としてルドルフは暗殺されたとし、「もしルドルフの身にもしもの事があれば、プロイツェンが皇位を継承する」という皇帝の遺言に従い次期皇帝の地位に就くと宣言する。その後、帝国にルドルフが到着し、自身に忠誠を誓うホマレフ宰相に対面。それを受けてプロイツェンが自身の部隊を差し向けたため、ホマレフはそれに対抗し、ルイーズ大統領に取り次ぎ、ヘリック共和国軍に応援を要請する。プロイツェンは駆け付けた共和国軍の行動を侵攻と位置づけ、デスザウラーによって攻撃を開始。そこへアーラ・バローネに連れられたルドルフが駆け付け、制止を持ちかけるが反発し、そこへさらにかけつけたシュバルツ率いる帝国軍とも交戦する。最終的にはデスザウラーもろともブレードライガーを駆るバンに撃破される。こうして戦いが終わった後、ルドルフの正式な戴冠式が行われ、共和国と帝国は正式な講和条約を結んだ。それから2年後、突如として各地で攻撃を行う謎の軍団が現れ、これに対処するため共和国・帝国両国は「ガーディアンフォース」を設立した。
世界観や初期のメインキャラクターなどは漫画『機獣新世紀ZOIDS』の著者である上山道郎がほぼ原案を担当している。上山が「ゾイドの漫画を描いてみないか」と依頼された時点ですでにアニメシリーズの放送は決定していたが、ストーリー、メインスタッフ、キャラクターなどアニメの根本的な部分が未決定な状態であり、漫画化という形でその原案を委託されることとなった。このような経緯から第1部は漫画版を踏襲した展開になっているが、GF編は完全にアニメ独自の展開となった。当初はアニメを西方大陸の南部を舞台とし、北部を舞台とするゾイドバトルストーリーと世界観をリンクさせる展開も告知されていたが、放送が進むにつれ独自の設定やストーリーを歩んだ。機体等の幾つかの設定変更には、アニメスタッフ側からの打診もあった。本アニメと漫画版は、『ゾイドバトルストーリー』とは類似した固有名詞を用いた独自世界観の作品として扱われている。
原作は1900年に発表された押川春浪の小説『海底軍艦』だが、映画での登場人物や設定は映画オリジナルのもので、「少数の人員が孤島で海底軍艦を建造する」という大まかなストーリー以外に、ほぼつながりはない。脚本の関沢新一は、「海底軍艦は子供のころに読んで、とにかく“ロマン”というイメージがあった。現代の設定に置き換えるに当たり、このロマンをどう描くか考えた」とコメントしている。やはり原作どおりの「ロシアが敵役」などの設定は時代的に無理ということから敵を架空のムウ帝国と設定し、自身が戦時中に関わった、南方前線での寄せ集めの機材による戦闘機建造の体験をベースに、骨太のストーリーを構築している。前年からこの年にかけ、東宝では本作以外にも『太平洋の翼』、『青島要塞爆撃命令』、『マタンゴ』と特撮の比重の大きな作品が続けざまに組まれており、円谷英二だけが全ての特撮現場を任じていた円谷組特撮班の撮影スケジュールは、過密状態となっていた。このため、当時の東宝特撮の正月映画としては本作の特殊撮影のスケジュールは約2か月（当時の平均は3か月）と、やや短めである（本編撮影は従来通り約1か月）。円谷は過密な撮影スケジュールを鑑み、戦時中に円谷門下だった川上景司をB班監督に起用することで対応している。川上は円谷と決別して松竹映画に引き抜かれていったという過去を持つが、円谷はまったく意に介せず、翌年には円谷特技プロダクションのスタッフに招いたため、その度量の広さは関係者の語り草となった。ラストシーンの海上爆発は、カメラを上下逆にして水槽に絵の具を落とすことで表現している。丸の内崩壊シーンの冒頭にマンホールの蓋が蒸気で吹き飛ぶカットでは、マンホールの蓋を軽いウエハースで作って撮影した。人工衛星のカットには、『地球防衛軍』や『宇宙大戦争』の宇宙ステーションの映像が流用されている。プロデューサーの田中友幸は、本作に登場する「神宮司八郎」の名がお気に入りで、自らのペンネームにもしている。英題は『Atragon』。好評だったらしく、実際には続編ではない『緯度0大作戦』が、海外では『Atragon II』の題名で公開されている。ドイツでは『U2000』という題名になっている。轟天号の英語名「Atragon」の由来は、「Atomic dragon」。