En un futuro cercano, la humanidad es asediada por los "
kaijus", una raza de
alienígenas colosales que emergen desde un portal interdimensional, que se encuentra en el fondo del
Océano Pacífico, para destruir a la raza humana. Para combatirlos, son creados los "
jaegers", sofisticados
robots gigantes de guerra
humanoides que tienen que ser pilotados por dos personas para sobrellevar la inmensa carga neural que conlleva manipularlos. Al poco tiempo de haber sido implementados, los jaegers demuestran tener éxito. Se retoma la confianza, la humanidad se siente segura, se comercializan
kaijus y
jaegers como juguetes, historietas, películas sobre el tema, etc. Los pilotos se transforman en héroes e ídolos mundiales.
A pesar que las máquinas son efectivas, las bestias se vuelven más frecuentes y poderosas.
En el año 2020, los hermanos Yanci Becket (
Diego Klattenhoff) y Raleigh Becket (
Charlie Hunnam) se disponen a eliminar a un
kaiju, con su
jaeger "Gipsy Danger", para presumir su quinta victoria desde que empezaron a ser pilotos. Mientras tanto, en el Océano de
Alaska, un grupo de pescadores busca tierra firme en su barco debido a la inestabilidad de una tormenta eléctrica; el
radar del barco detecta una "isla" que se acerca cada vez más: es el
kaiju categoría 3, Knifehead. Este empieza a rugir y pisar fuertemente, creando olas gigantescas que casi hunden el barco, pero este es salvado y dejado fuera de la línea de combate por Gipsy Danger. Entonces, el
kaiju procede a emboscarlo pero el otro contraataca dándole varios golpes asegurando una victoria. Sin embargo, el tiempo comienza a agotarse; Yancy y Raleigh utilizan el cañón de plasma y dejan gravemente herido al monstruo, al que creen muerto. Inmediatamente, la señal satélite de la base detecta que sigue vivo. El colosal monstruo ataca desde el fondo del océano y logra arrancarles el brazo izquierdo. Mientras que Raleigh y Yancy tratan de atacar, el
kaiju perfora el casco y arranca a Yancy de la conexión neural arrojándolo al océano, dejando a su hermano
traumatizado por su muerte. Finalmente, Raleigh carga por segunda vez el cañón pero todo empeora cuando el monstruo perfora el pecho del
jaeger con su filosa cresta; pero recibe un golpe aturdidor, cuando vuelve a atacar muere debido al disparo del cañón en su cara. Tras esto, el robot avanza en el océano hasta desplomarse en una
playa.
Ya en el año 2025 los gobiernos han abandonado el proyecto
jaeger, debido que las máquinas empezaban a ser destruidas más rápido de lo que podían construirse y los
kaijusahora alcanzaban categorías 4. Entonces, deciden construir enormes murallas costeras para proteger a las ciudades. Las cuatro armas restantes son llevadas a
Hong Kongpara proteger la costa hasta que la construcción termine. El mariscal Stacker Pentecost (
Idris Elba), comandante de las fuerzas
jaeger, crea un plan para acabar la guerra usando energía nuclear para destruir el portal. Pentecost se pone en contacto con Raleigh, ahora retirado y trabajando en la construcción de la muralla en Alaska, y le convence de regresar y pilotar a Gipsy Danger, el
jaeger que él y su hermano pilotaban.
Llegando a Hong Kong, Raleigh se enfrenta a potenciales copilotos para encontrar al que tenga una fuerte conexión con él, ya que, mientras más fuerte sea esta, mejor será el rendimiento en combate. Siente esto con Mako Mori (
Rinko Kikuchi), solicitándola como copiloto. El mariscal se opone, ya que Mako es su hija adoptiva, a quien salvó cuando era niña de un
kaiju que mató a su familia; aunque luego cambia de opinión, a sabiendas que el deseo de Mako es pilotar para vengarse. La prueba inicial del dúo casi termina en desastre cuando Mako queda atrapada en el recuerdo del ataque durante su infancia. Inconscientemente, activa y casi dispara el cañón de plasma del Gipsy Danger mientras se encontraba en el hangar.
Poco después, los
jaegers Cherno Alpha, Crimson Typhoon y Striker Eureka son asignados a una misión donde deben neutralizar un ataque
kaiju doble de Otachi y Leatherback, en
Hong Kong. Cherno y Crimson proceden a atacar. El segundo detecta la señal de Otachi pero no lo ve, sin embargo este sale de sorpresa y le da un coletazo al
jaeger chino, derribándolo. Así, este se pone en modo ataque y activa las sierras circulares de sus manos para atacarlo, los pilotos logran hacerle cortes profundos en varias partes vitales del cuerpo, pero el
kaiju le toma las manos impidiéndole atacar, no obstante lo lanzan con los pies mediante un salto mortal. Entonces, Cherno Alpha procede a golpear al
kaiju pero él se libera y lo empuja, volviendo a atacar al
jaeger chino. Este le toma de sus brazos, pero la criatura, con su cola que tiene una triple garra, atrapa la cabeza de Crimson Typhoon, arrancándole el casco y matando a los pilotos trillizos. Ahora Cherno, enfadado por la muerte de sus camaradas, procede a eliminar al
kaiju, pero este le arroja un chorro de
ácido altamente corrosivo y tóxico el cual derrite la defensa de la cabina y debilita la
armadura, por lo cual al verse en alto peligro piden ayuda a Striker, y los pilotos de este desobedecen la orden y corren a ayudarlo. Asimismo, Otachi arranca la mano del
jaeger y en ese momento el otro
kaiju, Leatherback, ataca por la espalda a Cherno, destruyéndolo. Otachi va a enfrentar al robot recién llegado, sin embargo, la diferencia de nivel favorece a Striker, quien lo deja malherido. En aquel momento, para tratar de acabarlo, Striker activa sus
misiles pero Leatherback emite una onda de radiación que apaga por completo al
jaeger, evitando que lance su arsenal, y la base de Cuerpos de Defensa Pan Pacíficos, aunque esta se recupera poco después. Con la ventaja de haber desconectado al
jaeger, Otachi va en una misión de
cacería del científico Newton Geiszler (
Charlie Day), quien hizo una conexión neural con un cerebro de
kaiju.
El mariscal manda a Raleigh y Mako como última maniobra defensiva con Gipsy Danger. Mientras tanto, Newton escapa por
Hong Kong; el científico que estudia a los
kaijuscreó una máquina que le permitió establecer una conexión mental con un pedazo de cerebro de estos. El experimento casi lo mata, pero descubre que los
kaijus son en realidad especies de
bioarmas de destrucción masiva enviadas por una raza alienígena conquistadora. Con la aprobación del mariscal, Geiszler busca a Hannibal Chau (
Ron Perlman), una figura reconocida en el
tráfico de partes de
kaiju, en un intento por conseguir un cerebro intacto para repetir el experimento. Chau deduce que las bestias están en la ciudad buscando a Geiszler, cuyas acciones han atraído su atención, ya que ellos poseen una "mente colmena".
Tras la desconexión de Striker Eureka, los dos pilotos salen y encienden
bengalas, enojando a Leatherback, el cual trata de matarlos pero es interceptado por Gipsy Danger. Leatherback ataca a Gipsy pero este contraataca arrancándole el órgano que emitió la onda de radiación neutralizadora de
electricidad. El
kaiju toma a Gipsy y lo arroja lejos, comenzando una batalla. Gipsy domina la pelea golpeando al monstruo con puños y
containers del
puerto; cuando el otro se dispone a atacar, Gipsy activa su cañón de plasma disparándole varias veces en el pectoral, terminándolo al darle en su brazo izquierdo, pero aún deben acabar con el otro
kaiju restante. Este encuentra el
búnker donde Newton se ocultaba junto con decenas de personas. Logra abrirlo y reconoce al humano, pero Gipsy interfiere cargando un
buque, como
bate de béisbol, y golpeándolo hasta hacerlo retirarse. Raleigh y Mako lo buscan, saliendo inesperadamente de un edificio atacando a Gipsy y lanzando su chorro ácido; el robot lo esquiva y atrapa al
kaiju, pero él comienza a golpearlo con su cola. A pesar de ello, Mako activa un aire congelante helándole la cola para luego destrozarla en pedazos. Sin embargo, Otachi se les abalanza y sujeta extendiendo sus alas. Volando, empieza a chocar contra los edificios con el fin de dañar más al
jaeger mientras este intenta liberarse. Ya cerca de la
atmósfera, Otachi empieza a perder energía debido al frío y Gipsy utiliza la espada retráctil cortándole bruscamente el estómago y matándolo. Gipsy sobrevive con algunos daños pero Raleigh y Mako se encuentran sanos y salvos. Poco después, los hombres de Chau se mueven para recoger los restos del
kaiju para comercializar en
Alemania, con el anticipado pedido de un segundo cerebro por parte de Newton. Los hombres detectan que el
kaiju era
hembra y estaba embarazada, al mismo tiempo su cría sale súbitamente del vientre de su madre muerta y ataca al equipo carroñero de Chau, pero sufre de
pulmonía debido que los órganos respiratorios no se habían formado correctamente. Luego, Chau entierra una
navaja en la nariz del pequeño, este enfurecido se lo come vivo. Newton y su compañero Hermann Gottlieb (
Burn Gorman) se conectan con el cerebro intacto del bebé y descubren que el portal sólo se abrirá con
ADN de las bestias, como un
código de barras de ADN.
Los dos
jaegers restantes se unen para ejecutar el plan de destruir el portal con un
arma termonuclear. Striker y Gipsy empiezan a descender hacia el fondo oceánico, siendo vigilados por un
kaiju categoría 4. Al llegar al punto de encuentro, Striker se posiciona sin saber que, el primer y único
kaiju categoría 5, Slattern estaría ahí para impedirle su objetivo. Gipsy trata de acudir en apoyo pero es atacado por Scunner, la criatura que los asechaba al descender, pero lo sujetan de sus mejillas con cuernos y derrumban. Al activar la espada, tratan de perforarlo pero otro
kaiju de la misma categoría, Raiju, con su mandíbula tripartida los ataca desde otro flanco y les arranca el brazo derecho. Posterior, Scunner trata de escapar pero Gipsy activa la espada de lado izquierdo y logra perforarle la cabeza, arrimándolo hacia una chimenea volcánica acuática tratando de quemarlo, sin embargo el otro se zafa con daños muy graves. Entonces, Raiju nadando a toda velocidad procede a atacar a Raleigh y Mako, pero estos utilizan la espada y lo rebanan por la mitad. Asimismo Slattern, perdiendo frente a Striker, llama a Scunner para acabar con el
jaeger. En ese momento, Striker decide usar la
bomba; muriendo y matando a Scunner, pero Slattern sobrevive con graves daños. Mientras Gipsy trata de llevar el cadáver del primero al portal, el segundo interfiere, por lo que el robot activa sus propulsores y se lanza con él al portal. Slattern trata con su triple cola dañarlo y lo consigue, pero Raleigh activa el
lanzallamas de Gipsy, matando al
kaiju. Con el oxígeno acabándose, Raleigh expulsa a Mako e inicia la secuencia de sobrecarga del reactor para luego expulsarse a sí mismo. El
reactor nuclear detona, destruyendo a los alienígenas conquistadores y el portal. Los mecanismos de escape de Mako y Raleigh llegan a la superficie a salvo y el dúo se abraza emotivamente mientras el helicóptero llega.
En la escena postcréditos, se puede ver a Chau saliendo ileso del estómago del bebé
kaiju.
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