Tiga tahun setelah pertempuran hebat melawan Mechagodzilla, Kong telah menemukan dan menetapkan wilayah barunya di Hollow Earth. Ia terus menjelajahi kedalaman bumi untuk mencari anggota spesiesnya yang lain. Di permukaan, sementara itu, Godzilla menjalankan perannya sebagai penjaga keseimbangan antara manusia dan para monster raksasa yang dikenal sebagai “Titan”. Kita melihatnya mengalahkan Titanus Scylla di Roma, Italia, sebelum kemudian beristirahat sejenak di Colosseum.
Kehidupan relatif tenang ini terganggu ketika pos pengamatan Monarch yang terletak di Hollow Earth mendeteksi sinyal misterius. Sinyal ini tidak hanya memengaruhi teknologi, tetapi juga menimbulkan gangguan pada Jia, satu-satunya yang selamat dari suku Iwi dari Skull Island. Di sekolah, Jia mengalami halusinasi dan penglihatan yang membuat ibu angkatnya, Dr. Ilene Andrews—seorang ahli Kong—merasa cemas. Merasakan sinyal yang sama, Godzilla meninggalkan peristirahatannya dan menuju Prancis untuk menyerap radiasi dari pembangkit listrik tenaga nuklir, memperkuat dirinya. Kemudian, ia bergerak menuju sarang Titan Tiamat di Kutub Utara. Monarch menduga Godzilla sedang mempersiapkan diri menghadapi ancaman yang akan datang.
Di Hollow Earth, sebuah lubang runtuhan terbuka di dekat tempat tinggal Kong. Melalui lubang ini, Kong menemukan alam yang belum terpetakan di mana sebuah suku spesiesnya ternyata masih bertahan hidup, termasuk seekor kera remaja bernama Suko. Setelah konfrontasi singkat, Kong berhasil meyakinkan Suko untuk membawanya ke sarang suku tersebut, dan keduanya secara perlahan mulai membangun ikatan selama perjalanan mereka.
Sementara itu, Andrews, Jia, bersama dengan dokter hewan khusus Titan bernama Trapper dan seorang podcaster teori konspirasi bernama Bernie Hayes, melakukan perjalanan ke Hollow Earth untuk melacak sumber sinyal aneh itu. Mereka menemukan pos terdepan Monarch telah hancur. Saat mengikuti sinyal, rombongan ini menemukan sebuah kuil yang mengarahkan mereka ke bagian bawah tanah yang merupakan rumah bagi suku Iwi yang masih hidup. Suku ini berkomunikasi secara telepati dan tinggal di bawah portal menuju permukaan. Dengan memeriksa kuil, mereka menyadari bahwa sinyal tersebut adalah panggilan darurat telepati yang dikirim oleh suku Iwi. Melihat Jia berinteraksi dengan kaumnya, Andrews mengungkapkan kekhawatirannya kepada Trapper bahwa Jia mungkin memilih untuk tinggal bersama suku Iwi, dan bahwa ia harus menerima keputusan itu.
Di dalam kuil, Andrews menemukan hieroglif yang menggambarkan masa lalu dan masa depan. Terungkap bahwa seorang pemimpin kera raksasa yang kejam bernama Skar King pernah berusaha menaklukkan dunia permukaan dan berperang melawan spesies Godzilla, memicu zaman es dalam prosesnya. Namun, Godzilla berhasil mengalahkannya dengan menjebaknya beserta sukunya jauh di dalam Hollow Earth. Ramalan tersebut juga menunjukkan bahwa Jia adalah kunci untuk membangkitkan kembali Mothra.
Kong akhirnya bertemu dengan suku kera yang dipimpin oleh Skar King. Ia berkonfrontasi dengan raja kera yang tiran itu. Skar King menggunakan Titan Shimo yang dikuasainya—Titan pengendali es purba yang dipaksa tunduk melalui kristal yang menyakitinya—untuk melawan Kong. Napas es Shimo melukai lengan kanan Kong, menyebabkan radang dingin. Dengan bantuan Suko, Kong berhasil melarikan diri, meskipun dia kehilangan kapak saktinya dalam pertempuran itu.
Merasakan kehadiran Jia, Kong menemukan kuil Iwi dan dipasangi oleh Trapper sebuah sarung tangan eksoskeletal prototipe untuk memperkuat dan menyembuhkan lengannya yang terluka. Tanpa mereka sadari, seekor kera lain membuntuti mereka dan kemudian memberitahu Skar King bahwa penghalang pelindung yang mengarah ke portal permukaan telah terbuka. Sementara itu, Jia berhasil membangkitkan Mothra yang terlahir kembali.
Di tempat lain, Godzilla berhasil mengalahkan Tiamat dan menyerap radiasi kosmik dari sarangnya, yang mengubah sirip punggungnya menjadi berwarna magenta. Berharap memancing Godzilla ke Hollow Earth untuk membantunya, Kong muncul ke permukaan di Kairo dan mengeluarkan panggilan. Meskipun Kong berusaha berkomunikasi, Godzilla yang marah menyerangnya, dan pertempuran singkat pecah hingga Mothra campur tangan dan menenangkan Godzilla. Ketiga Titan ini kembali ke Hollow Earth dan terlibat dalam pertempuran melawan pasukan Skar King. Skar King dan Shimo berhasil menggunakan salah satu portal untuk melarikan diri ke permukaan, memaksa Godzilla dan Kong mengejar mereka ke Rio de Janeiro, di mana Shimo atas perintah Skar King memicu zaman es kedua. Kedua kubu seimbang hingga Suko tiba dengan membawa kapak Kong dan menghancurkan kristal pengendali Shimo. Shimo pun berbalik melawan Skar King dan membekukannya, memungkinkan Kong menghancurkannya menjadi berkeping-keping.
Setelah membalikkan efek zaman es yang disebabkan Shimo dengan napas atomnya, Godzilla kembali beristirahat di Colosseum. Jia melegakan kekhawatiran Andrews dengan memilih untuk tetap tinggal bersamanya. Mothra memulihkan penghalang pelindung rumah suku Iwi dan portalnya. Kong kembali ke Hollow Earth bersama Shimo dan Suko, di mana ia menjadi pemimpin baru suku kera.
