世界的な異常気象の中、しばらく出現していなかった怪獣たちが一斉に目を覚ました。東京湾を蹂躙するタッコングとザザーンを迎え撃つのは、怪獣攻撃隊ＭＡＴ（マット）である。街の人々が逃げ惑うなか、レーサー志望の青年・郷秀樹は逃げ遅れた少年と子犬を救出するが、彼自身が命を落としてしまい……

怪獣タッコングが再び出現した。ウルトラマンと一体化した郷秀樹は自分の力を過信したことから隊長の命令に背き、結果的にタッコングを取り逃がしてしまう。ＭＡＴを除隊され坂田自動車工場へと戻る郷に、坂田は敢えて冷たく接する。その態度に、郷は自分の思い上がりに気づき……

郷は霧吹山上空のパトロール中に怪獣の咆哮を耳にするが、それは郷の超感覚によって聴こえた音であったため、ＭＡＴアローに同乗していた上野隊員には聴こえていなかった。郷と上野の意見の対立を見かねた加藤隊長は真偽を確かめるため単身で霧吹山へと向かったが、そこに怪獣サドラが出現しピンチに陥ってしまう。

第一原子力発電所付近に、怪獣キングザウルス三世が出現した。郷はウルトラマンに変身するが、キングザウルス三世にはウルトラマンの必殺技が通じなかった。怪獣が発生させるバリヤーを飛び越えるキック技を会得するしか、倒す術はない。郷は坂田の協力を経て、過酷な特訓を始める。

工事現場で岩石状の物体が発見された。処理をめぐって郷と岸田の意見が対立するなか、砕石場に地底怪獣グドンが出現する。一方、岩石状の物体からは古代怪獣ツインテールが現れ、新宿副都心はパニックとなった。郷はウルトラマンに変身してツインテールと戦うが、そこにグドンも現れ……

二大怪獣の猛攻に、さしものウルトラマンも敗れた。MATのＭＮ爆弾も効果がない二大怪獣に対して岸田長官はスパイナーの使用を決断するが、加藤隊長は激しく異議をとなえた。小型水爆級の威力があるスパイナーを使用したら、東京は壊滅してしまう。隊員達はMATの解散を賭け、スパイナーを使用しない作戦に挑戦する。

坂田兄弟と郷はハイキングに行き、束の間の楽しい時間を満喫していた。そこで次郎が記念に撮った写真には、怪獣の姿が写っていた。その正体は、自分の体色を周囲の色に合わせ姿を消す能力を持つ怪獣ゴルバゴスだった。ＭＡＴはゴルバゴスの姿を見失わないように、七色の塗料を吹きつける「レインボー作戦」を敢行する。

怪獣ゴーストロンが出現。ＭＡＴは直ちに出撃するが、郷のミスでゴーストロンの尻尾に「Ｘ弾」が撃ち込まれてしまった。「Ｘ弾」は時限装置付きの爆弾なのである。爆発まで、あと10時間、こともあろうに、ゴーストロンはダイナマイト工場の前で居眠りを始めた。怪獣を移動させなければ未曾有の大惨事が発生する……！

郷は、ニューヨークのＭＡＴ技術局が開発した高性能の怪獣探知機を受け取る任務を命じられる。だが、その日はあいにく次郎の誕生日。事情を察した南隊員は、隊長に内緒で郷の代わりを引き受け、マットアローで基地を飛び立っていく。だが、その南隊員が消息を絶ってしまった。責任を感じた郷は、南の救出に全力を注ぐ。

工事現場から巨大な恐竜の化石が発掘され、子供達は大喜び。作業を急ぐ現場責任者は化石を爆破するが、化石から強力な溶解液がにじみ出て、作業員を跡形もなく溶かしてしまった！しかも、爆発のショックで化石は怪獣ステゴンとして蘇るが、ステゴンに対する子供達の愛着を知っている郷と南は、ステゴンの討伐をためらう。

映画のロケ隊が撮影現場で遭難した。イエローガスを吸いこんだことが原因だと聞き、岸田隊員は戦慄する。それは岸田の父が開発に関わった、旧日本軍の秘密兵器だったのである。極秘裏に廃棄されたはずのイエローガスのカプセルを怪獣モグネズンが食べ、ガスを吐き出していたのだ。岸田は単身、モグネズン退治に向かう。

ＭＡＴは特別訓練の実施中、オートバイの若者たちが怪獣シュガロンに襲われるという事件に遭遇する。どうやら、彼らは故・牛山画伯の一人娘である静香をからかっていたらしい。まるで静香を守っているかのような怪獣シュガロン。もしかしたら、シュガロンには牛山画伯の霊が乗り移っているのだろうか？