謎の宇宙船が地球上に宇宙怪獣ギルギルガンを放った。 科学要塞研究所と早乙女研究所ではその宇宙船をほぼ同時にキャッチし、まずはゲッターロボが出撃する。 兜博士は様子を見ることにし、ゲッターロボに先を越された鉄也は悔しがる。 ゲットマシンは円盤に遭遇し、ゲッター１に合体して迎え撃つ。 が、グレートマジンガーを意識しすぎるリョウは功を焦ったため、早乙女博士はゲッターロボを退却させる。 一方、ギルギルガンをキャッチした科学要塞研究所はグレートマジンガーを発進させる。 が、鉄也もまたゲッターロボを意識しすぎ、超合金ニューＺをも食う上にあらゆる武器が通じないギルギルガンに大苦戦。 救援に来たボスボロットも何の役にも立たず、鉄也もまた退却を余儀なくされる。 早乙女博士は科学要塞研究所に赴き、兜博士と共同作戦を練る。 そして怪獣を無人島に誘い出して一気に倒す作戦を決行する。 そのため、成長したギルギルガンの前に現れて囮となるボスボロットとビューナスＡ。 ついに海の真ん中でボスボロットは追いつかれるが、ゲッター３が救援に現れたおかげでなんとか島への上陸を果たす。 更に島でゲッター２が応戦するが、全く歯が立たない。 一方、修理が終わったグレートマジンガーが緊急発進する。 ついに２体のスーパーロボットによる共同作戦が始まった。 そしてサンダーブレークとゲッタービームの同時攻撃で、ギルギルガンを粉砕する。 が、そこへ宇宙船が現れ、自らギルギルガンに食われることでギルギルガンは更なるパワーアップを果たす。 苦戦する両ロボット。 しかしやがて、ギルギルガンが武器のカマを放った後の穴が弱点であることを見抜き、そこを集中的に攻め始める。 そして体内に入り込んで破壊、破壊、破壊する。 だが、一度倒れたものの、なおも攻撃を続けるギルギルガン。 そこへ、ダブルサンダーブレークとゲッタービームの集中攻撃を浴びせ、ついにギルギルガンは大爆発を起こす。 固く手を握り合うグレートマジンガーとゲッターロボ。 鉄也とリョウはこれからも力を合わせていくことを誓い合うのだった。