Années 1960. Une série d'essais nucléaires français, aux alentours de l'archipel des Tuamotu, entraine la mutation d'un lézard. Trente ans plus tard, la créature monstrueuse attaque un cargo japonais croisant dans le Pacifique Sud. Le seul rescapé est transporté à Papeete, où il est interrogé par des agents de la DGSE. Il murmure le nom de « Gojira », d'après une ancienne légende japonaise. Au même moment, Nick Tatopoulos, un jeune scientifique américain travaillant pour la Commission de réglementation nucléaire des États-Unis, est prié d'abandonner ses recherches à Tchernobyl pour se rendre avec un groupe de militaires à Panama. Il découvre les gigantesque empreintes du monstre, qui a traversé le golfe et piétiné un village pour se rendre dans l'océan Atlantique.
Le film raconte l'histoire d'Apollo 13, la septième mission spatiale habitée américaine vers la Lune du programme Apollo, qui comprend pour équipage l'astronaute James Lovell (le plus expérimenté de la NASA), Fred Haise et Jack Swigert.
La nuit du 10 mai 1998, à Richmond en Virginie, un club scolaire d'astronomie observe le ciel. Leo Biederman (Elijah Wood), un adolescent, remarque un objet lumineux qu'il ne reconnaît pas. Sa camarade Sarah (Leelee Sobieski) se moque de lui et affirme qu'il ne s'agit que d'une simple étoile. Leur professeur ne parvenant pas à l'identifier non plus, prend un cliché et le transmet à l'observatoire astronomique. Le docteur Marcus Wolf, analyse par ordinateur la photo et découvre que l'objet est une nouvelle comète. Rapidement, il panique quand les calculs de la trajectoire de cette comète lui révèlent qu'elle se dirige droit sur la Terre. Voulant donner l'alerte, il quitte précipitamment le bâtiment à bord de son véhicule. Conduisant de manière très imprudente sur l'étroite route sinueuse menant à l'observatoire, son véhicule quitte la route en voulant éviter un camion, s'écrase dans un ravin et explose, causant ainsi la mort de Wolf.
Octobre 1991, Gloucester. Pendant près de quatre siècles la ville fut le premier port d'Amérique, mais les temps difficiles obligent les marins à s'aventurer toujours plus loin dans les eaux froides de l'Atlantique. Après une saison de pêche décevante, le capitaine Billy Tyne convainc ses hommes de repartir une nouvelle fois en mer pour pêcher l'espadon. Le jeune Bobby laisse sa compagne Christina au port et embarque avec l'équipage à bord de l'Andrea Gail. Ignorant les conseils de son amie Linda qui l'avertit de l'arrivée imminente d'un ouragan dans la région, Tyne s'enfonce dans l'Atlantique Nord vers le Cap Flemish (Bonnet flamand), une zone où le poisson abonde. Au même moment, le voilier Mistral, pris dans le cyclone, décide d'avertir les secours. Après une pêche fructueuse, non sans avoir été marqué par une série d'incidents, Tyne décide de rentrer au port avec ses hommes. Mais ils doivent pour cela traverser la terrible tempête.
En 2005, des scientifiques découvrent dans le « système solaire Gliese » (nom donné dans le film, en réalité le système planétaire Gliese 581) une exoplanète qu'ils baptisent « planète G », dont le climat semble proche de celui de la Terre. En 2006, la NASA lance le projet international Beacon pour envoyer un signal jusqu'à cette planète en construisant un système de communication cinq fois plus puissant que ceux existant alors. Chaque jour, quand le satellite Landsat 7 est à l'aplomb de la station de communication de Saddle Ridge, sur l'île d'Oahu, dans l'archipel d'Hawaï, le signal est émis vers le satellite. Celui-ci amplifie le signal pour le relayer à travers l'espace jusqu'à la planète G.
Le 15 janvier 2009, le capitaine Chesley Sully Sullenberger, dit « Sully », et son copilote Jeff Skiles, qui travaillent pour US Airways, montent à bord du vol 1549 de cette compagnie pour relier l’aéroport de LaGuardia et l’aéroport international Charlotte Douglas. Trois minutes après le début du vol, à une altitude de 2 800 pieds (environ 850 m), l’Airbus A320 heurte une volée d’oiseaux, ce qui désactive les deux moteurs. Avec des moteurs arrêtés et se jugeant dans l’impossibilité d’atteindre les aéroports voisins (celui de Teterboro étant le plus proche), il amerrit avec l’avion sur le fleuve Hudson. L’équipage et les passagers sortent de l’appareil sans qu’il y ait de victimes. La presse et le public saluent le pilote comme un héros, mais l’incident continue à le travailler et il vit dans un rêve un rêve où l’avion vient s’écraser sur un bâtiment.
Une sorte de sphère atterrit sur Terre. En sort Klaatu, un extraterrestre d'apparence humaine (mais né d'une chrysalide) qui souhaite transmettre un message à l'humanité alors que des phénomènes étranges font leur apparition.
En 1979, une petite fille, Christine York, nait à New York. Des rites satanistes sont immédiatement pratiqués sur elle en secret, avant qu'elle soit rendue à sa mère par une sage-femme complice, Mabel.
Un couple et ses trois garçons partent en vacances en Thaïlande, à Khao Lak. Ils arrivent la veille du terrible Tsunami du 26 décembre 2004. Surpris par la vague géante au moment où ils sont dans la piscine de leur hôtel, ils sont séparés en deux groupes mais réussissent à survivre malgré de graves blessures. Au milieu du chaos, de toutes ces personnes traumatisées perdues et endeuillées, ils continuent leurs recherches, ne lâchent pas prise et vont se retrouver.
Un virus hémorragique mortel, le virus Motaba, est introduit en Californie par un singe importé du Zaïre, se propage à la vitesse de l'éclair dans la ville de Cedar Creek, menaçant ainsi le continent américain. Premier à pressentir le terrible danger, le colonel Sam Daniels se démène pour empêcher que ce virus anéantisse la totalité de la population, tandis que l'armée se prépare à raser la petite ville.
Quatre ans après avoir perdu sa compagne Marianne lors d'une éruption volcanique en Colombie, le volcanologue Harry Dalton est employé par le Cascades Volcano Observatory (dépendant du United States Geological Survey, USGS) à Vancouver, dans l'État de Washington, au nord-ouest des États-Unis.
New York, 22 mai 2009. Une quarantaine de jeunes gens en fin d'études organisent une fête pour le départ d'un des leurs pour le Japon, Robert « Rob » Hawkins. L'action est au départ centrée sur Jason Hawkins (le frère de Rob), Lily Ford, Hudson Platt (celui qui filme avec un caméscope la soirée), Marlena Diamond et Beth McIntyre, l'ex-petite amie de Rob. Au cours de la soirée, tandis que la fête bat son plein, l'immeuble dans lequel ils se trouvent est fortement ébranlé par une brusque secousse. Intrigués, quelques convives descendent dans la rue pour s'enquérir de ce qui se passe. Un coup sourd se fait alors entendre… et la tête de la statue de la Liberté vient se fracasser violemment au milieu de la rue. En quelques minutes, Manhattan devient le théâtre d'une attaque aussi effroyable que destructrice. Une gigantesque créature digne d'un kaiju envahit la ville, qui sombre dans le chaos.