Un an après la défaite de Godzilla face à sa version Mecha, celui-ci, désormais appelé Kiryu, est mal en point et nécessite d'être réparé. Pendant ce temps, le père d'un des ingénieurs reçoit la visite des gardiennes jumelles de Mothra, qui le mettent en garde contre l'utilisation de ce Mecha, crée à partir des os de Godzi version 1954. Alors que notre lézard préféré s'apprête à tout casser.
Fait unique dans l'ère Millenium, Tokyo S.O.S est la suite directe du film précédent, mais est également relié par Hiroshi Koizumi, un acteur septuagénaire qui a joué dans plusieurs opus de la saga, notamment ceux des années 1960 où apparaissait Mothra. Celui-ci joue donc le père de l'ingénieur en chef, avec la pilote toujours incarnée par Miho Yoshioka.
La particularité du film est d'axer davantage son histoire autour de Mothra, où son ambiguïté centre du débat, car la nature même de MechaGodzilla lui fait douter à savoir si c'est aussi un méchant, impliquant de ce fait la sauvegarde de l'humanité face à un Godzi très méchant, et dont la dernière partie donnera droit à un baston à trois homérique.
On retrouve ici la même équipe technique, avec ce soin apporté aux trucages, toujours efficaces, et un effort sur l'histoire, qui ne parle pas que de Godzi, mais également de Mothra, mais ça donne un bon diptyque sur sa version Mecha.