第一部
近未来、人類は偶然にもゲッター線の採取に成功する。だが、インベーダーの侵略により月が占拠される。人類は叡智の粋を集めスーパーロボット軍団を作り上げ、月面でインベーダーの撃退に成功した。
かつて世界を救ったゲッターチームのリーダーだった流竜馬は3年前に早乙女博士殺害容疑により逮捕・収監され「A級囚人」となっていた。早乙女ミチルを奪った凄惨な事故(実際は事故ではなくインベーダーによる殺害)により早乙女博士との確執を抱え、かつての仲間であり、早乙女博士を殺害した犯人でもある神隼人に根深い不信感を抱いていた。一方、解散したゲッターチームのメンバーである巴武蔵と後輩の車弁慶は共に日本軍に在籍していた。二人はトラックで謎の荷物運搬の任務中に、荷物を奪いに来たインベーダーの襲撃に遭遇。急遽、コンテナの中に隠してあったゲッター3で応戦した武蔵は、コンテナの中身が作成中の首だけの男が入ったカプセルであることを見てしまう。そしてインベーダーと応戦中の武蔵の前に、早乙女博士が駆る見たこともないゲッターロボが現れてカプセルは早乙女博士に奪われる。重傷を負った弁慶は、武蔵が庇護していた早乙女元気を預かることになるが、元気は父である早乙女博士の死を見たショックから失語に陥っていた。弁慶、武蔵から謎の男早乙女號を奪取した早乙女はゲッタードラゴン軍団を率いて人類に戦いを挑む。竜馬は早乙女博士を抹殺させるために仮釈放され、単独でゲッター1を駆ってドラゴン軍団に戦いを挑む。竜馬が早乙女に引導を渡そうとしたそのとき、「いけない」という號の声が響く。號の呼びかけで灯った光をキッカケにゲッターGのゲットマシンたちが合体し、巨大な真ドラゴンとなった。
竜馬は真ドラゴンを破壊するため、ゲッター炉心の自爆を試みるが早乙女に「相変わらず危険な男」と言われる始末。しかし、ゲッタードラゴンで竜馬を誅殺しようとした早乙女から竜馬を救ったのはそれぞれゲッター2、3を単独で駆る隼人と武蔵だった。一方、早乙女はインベーダーの襲撃に遭う。どうにか逃れた早乙女は號のパートナーとして用意していたハズの生命体が変異した怪物たちに襲撃される。武蔵が乗るベアー号と自動操縦のジャガー号、合体をしたイーグル号に乗る竜馬はゲッター1にチェンジし、早乙女研究所に乗り込む。そこで待っていた隼人と共闘することになった竜馬は、カプセルから出現した怪物たちの襲撃に遭う。それは本来、竜馬と隼人の遺伝子をベースに産み出されたものだったが、闘争本能だけに駆られる怪物と化していた。二人の窮地を救ったのは號が操る真ゲッターロボの放った頭部ゲッタービームだった。ゲッター線は進化を促すだけでなく退化をも促し、辺りは太古の恐竜時代のような世界になった。真ゲッターに巨大化した怪物が襲いかかり、真ゲッターから落下した早乙女は武蔵のゲッター3に助けられる。
一方、国機連の幹部になっていたかつてのゲッター線研究者たちは早乙女の企みを止めるため日本壊滅のための重量子爆弾を発射。だが、インベーダーの侵食を受けたかつての開発チームの仲間であるコーウェンとスティンガーが正体を現し、他の研究者にインベーダーを寄生させる。─実は、竜馬、隼人、ミチルによって行われたゲッターライガーの合体テスト時、既にインベーダーの侵食を受けていたミチルは竜馬たちを救うためあえて緊急合体解除レバーを引き自ら犠牲になった。後にミチルの遺体から真相を知った早乙女博士は共同研究者だったコーウェン、スティンガーの裏切りに気付きながらも、あえてなにも事情を知らない竜馬と共謀者の隼人を恨んでいるフリをしていた。国連を壊滅させたコーウェン、スティンガーはパスワードロックを破壊し、ICBMに乗って日本に飛来。弁慶の通信で危機を知った竜馬と隼人は號と三人で真ゲッターを駆ってミサイル着弾阻止に向かうが、三人を乗せた真ゲッターはミサイル落下の衝撃で分離し、ゲッター線爆心地である早乙女研究所に落下。元気を伴った弁慶は地下シェルターに避難する。
第二部
早乙女の反乱から13年の月日が流れた。インベーダーたちの侵略で地球は荒廃。元気を喪ったと語る弁慶は渓という逞しい女児の養父になっていた。渓は剴や古田、団六といった仲間たちと共に日本政府の依頼で地下シェルターから地上調査に出た。その際にアメリカのスーパーロボット、ステルバーとインベーダーの戦いに遭遇してしまう。そこでアメリカ人パイロットのランバート(この時既に寄生済み)を救出するも、浅間山の決戦に向かうことに焦るランバートが日本軍のビィートを奪取。機体に取り付いた渓と弁慶はゲッター線の爆心地である早乙女研究所跡地に落下してしまう。隼人は敷島博士や副官のヤマザキと共に生き残った人類を救うためスーパーロボット軍団を率いる司令官となり、巨大な母艦「タワー」の艦長となっていた。隼人たちは真ドラゴンの炉心解体のためインベーダーたちに浅間山決戦を挑む。一方、早乙女研究所内で擱座した武蔵のゲッター3を目の当たりにし、遺品の帽子を回収した弁慶はインベーダーに侵食されていたランバートに襲われる。ランバートに殺されかけた渓を、突如出現した號が操る真ゲッター2が救う。號は13年前と変わらぬ姿で生存していた。渓と、ランバートの攻撃で重傷を負った弁慶は真ゲッターに乗り込み、號と弁慶の働きもあって真ゲッターは稼働し、インベーダーを撃退。だが戦いの後、弁慶は即座に病院送りとなり、渓や剴たちは世界を滅ぼした元凶である日本人だとシュワルツ少佐らスーパーロボット軍団のパイロットたちから憎悪を向けられる。さらに隼人たちの前にコーウェン、スティンガーが姿を現し真ドラゴンの炉心解体作業を妨害。インベーダーは機械（戦闘で大破したスーパーロボット）と融合したメタルビーストに進化していた。負傷の弁慶に替わる存在として、號は剴を新たなパイロットに指名する。こうして、號、渓、剴の新ゲッターチームによる真ゲッターロボの戦いが始まった。そんなとき、復活を遂げた早乙女博士が我が子、元気こと渓に会うために、隼人、弁慶たちの前に姿を現す。自我が崩壊し記憶を喪った渓は男の子だと素性を偽られていたのを利用して弁慶に娘として育てられていた。実父である早乙女を仇と憎む渓はインベーダー化した早乙女に戦いを挑むが、號と共に真ドラゴンの内部に取り込まれてしまう。二人は真ドラゴンを起動させるための鍵であり、號の正体は渓の実姉ミチルのクローンだった。二人を救出するため弁慶と剴は早乙女研究所地下にあったゲットマシン運用母艦クジラを引き摺りだし、二人を無事救出する。
號、渓とのコンタクト後、迷走を始めた真ドラゴンを追い、弁慶たちはクジラで世界を転戦。北極での戦いで黒いゲッターロボブラックゲッターを駆る竜馬が姿を現す。荒廃したニューヨークでSOSの信号を受信した弁慶たちは救援に向かい、そこで竜馬との再会を果たす。竜馬もまた13年前と全く変わらぬ姿だった。その真相とは…爆心地でゲッター線の光に包まれた竜馬が気がつくと月面基地に擱座したゲッター1のコクピットの中であった。それを修理・改修し、大気圏突入を果たした竜馬は地球に帰還してインベーダーたちと戦っていた。だが、ニューヨークにおびき寄せたのは早乙女の罠であり、真意に気付いた竜馬たちはクジラのゲッター炉心を暴走させてニューヨークを沈め、危機を乗り切る。その頃、隼人やシュワルツたちは太平洋上の真ドラゴンめがけて集結したメタルビーストたちと交戦していた。竜馬と號たちは現場に駆けつけるが突然、號が倒れてしまう。號にかわり真ゲッターに乗り込んだ竜馬、弁慶は切り札であるタワーによる真ドラゴンへの直接攻撃に出て失敗した隼人を救出し、ゲッターチームを再結集させる。真ドラゴン内部で早乙女はコーウェン、スティンガーと共にメタルビースト・ドラゴンで真ゲッターと激しい戦いを繰り広げる。互角に見えた戦いだが、戦闘チームと開発チームの差と號が伝授した3人の心を1つにして放つ必殺技「ストナーサンシャイン」とが相まって、竜馬たちゲッターチームが勝利。早乙女は自身に寄生していたインベーダーを道連れに、竜馬たちに後事を託して絶命する。だが、メタルビースト・ドラゴンで宇宙に逃れたコーウェン、スティンガーは木星と融合して衛星を次々と呑み込み巨大インベーダーと化す。決戦の舞台が宇宙に移行する中、真ドラゴンとシンクロし、地球上の全ゲッター線を吸収した號は絶命する。真ゲッターを筆頭にしたスーパーロボット軍団は宇宙でインベーダー迎撃にあたるが巨大かつ多数のインベーダーに苦戦し、真ゲッターは地球に叩き落される。渓と剴も戦いに参加するが絶体絶命の窮地に陥る。渓の声に反応した號は真ゲッターを助け、渓と剴が乗る機体を回収して真ライガー、真ポセイドンに変形して巨大インベーダーを撃破する。コーウェンとスティンガーが融合した惑星級インベーダーには歯が立たなかったが、真ゲッターを頭に乗せた真ドラゴンはゲッター線を集中させて竜馬が放つファイナルゲッタートマホークによってコーウェン、スティンガーを一刀両断にする。決着が着いたように思えたが時空の裂け目が出現してしまい、竜馬たち旧ゲッターチームの3人は6つの心を一つにした真の必殺技「真シャインスパーク」を提案し、真ゲッターの炉心を使用してこれを放つ。その際、位相空間内でインベーダー軍団との永劫の戦いを繰り広げるゲッター軍団を垣間見た竜馬たちは、地球の未来を號、剴、渓に託し、永劫の戦いに向けて旅立つのだった。
