《哥斯拉大战机械哥斯拉2002》的故事始于1999年，某个神秘物体被卡车秘密运出馆山市。几天后，哥斯拉突然登陆馆山，特生自卫队紧急出动与之展开激烈战斗。在混乱的战斗中，自卫队员家城茜意外导致战友叶山二尉牺牲，自己却幸存下来，随后被调往资料科工作。这场悲剧给茜留下了深刻的心理阴影，也为后续剧情埋下伏笔。 　　与此同时，日本政府在柘植真智子首相的领导下，召集了以汤原德光为首的科学家团队，秘密研发对抗哥斯拉的G兵器。他们以在馆山冲挖掘出的初代哥斯拉骨骼为基础，历时四年成功研制出机械哥斯拉"3式机龙"。随着柘植首相辞职，科学技术厅长官五十岚隼人接任新首相职位。与此同时，茜被重新调回前线，担任机龙的操作员，这个安排似乎预示着命运的安排。 　　就在机龙准备进行测试机动时，哥斯拉再次出现在东京湾。机龙奉命出击与哥斯拉交战，然而当哥斯拉发出特有的吼声时，意外唤醒了机龙体内残留的野兽本能，导致机龙突然暴走，在东京市区造成大规模破坏。这次意外暴露出机龙设计中的致命缺陷，迫使科学家们不得不重新审视这个项目。 　　为了修正这个缺陷，汤原博士冒险修改了机龙DNA计算机的碱基构造，使其不再受哥斯拉叫声的影响。然而由于对机龙可能再次失控的担忧，五十岚首相迟迟不愿批准机龙再次出击。就在政府犹豫不决之际，哥斯拉再次现身东京湾，无视自卫队的火力压制，一路破坏至品川地区，将城市化为一片火海。面对如此危急情况，五十岚终于下令出动改良后的机龙。 　　最终决战在品川展开，茜怀着赎罪和必死的决心驾驶机龙迎战哥斯拉。两个庞然大物在燃烧的城市中展开殊死搏斗，这场对决不仅关乎东京的存亡，更关乎人类对抗怪兽的未来。机龙与茜的命运，以及哥斯拉带来的威胁，都在这次史诗般的对决中迎来最终答案。