太古の昔に絶滅したとされる恐竜が生き延びて、地底に巨大帝国を築いていた。恐竜帝国は、長年の念願だった地上世界の征服に乗り出す。人類最後の砦となったのは、恐竜を地下に追いやったゲッター線を研究する早乙女博士の研究所だった。博士の息子の達人が、プロトタイプのゲッターロボに乗り込んで迎撃するが…。
高校生のリョウは達人の仇を討つため、ハヤトやムサシと共にゲッターロボに乗り込んで恐竜帝国と戦うことを決意した。恐竜帝国の刺客である、新たなメカザウルスが出現。三人は出動するが、ベンケイのハ虫類恐怖症のせいで敵前逃亡という失態を招いてしまう。ベンケイは汚名挽回のため、恐怖症を克服する特訓に挑む。
メカザウルス・バジが都市部に出現。バジはばらまかれた七色の気球に誘導され、建造物を見る間に食い尽くしてゆく。このままでは大都市が丸ごと砂漠化してしまう。ゲッターチームが出動するが、バジは攻撃するたびに分裂を繰り返して手に負えない。しかもリョウの致命的な弱点が判明する。彼は高所恐怖症だったのだ。
ウーロン島の島民が、一晩で忽然と姿を消す事件が発生。調査に赴いたミチルが、突然現れたメカザウルス・ゴルに連れ去られてしまった。ゲッターチームに出動命令が下るものの、なぜかハヤトが姿を現さない。リョウとムサシは彼を欠いたままやむなく出撃、敗北したうえに、ゲッターロボに損傷を与えられてしまう。
ゲットマシンの操縦シミュレーションで赤点を取ってしまったムサシは、パイロットとしての自信を喪失してしまった。焦れば焦るほどマシンの操縦は荒くなり、ムサシはスランプの悪循環に。ハヤトまで早乙女博士の指示を無視するなど、三人のチームワークは崩壊寸前だ。最悪の状況の中、メカザウルス・ギガが出現する。
メカザウルス・リボが断続的に大地震を起こし、日本各地に大きな被害が出た。調査に出ていたミチルも負傷して帰還。断線によって電話が通じなくなると、リョウとハヤトはどちらが先に医者を呼んでくるかで意地の張り合いを始めてしまう。リボが姿を現すと、二人はいったん研究所に戻ってゲッターロボで出撃する。
ムサシがバイクの練習をしているうちに緊急招集がかかり、彼だけが出遅れてしまった。メカザウルス・ベラに立ち向かったリョウとハヤトは、そのせいで撤退を余儀なくされてしまう。ムサシは性懲りもなく、今度はラッパの練習に夢中。再びかかった緊急招集に今度は間に合うが、ベラの巧みな作戦の前に苦戦を強いられる。
リョウの所属する浅間学園サッカー部が、ライバルの白樺高校に逆転勝利をおさめた。白樺高校のエース・滝はこの結果に納得がいかず、リョウに一対一の勝負を申し込む。断られると彼は逆上し、ミチルを人質に取って対決の場に呼び出そうとする。事態を知ったハヤトは、リョウの代わりにミチルを取り戻そうと試みる。
恐竜帝国随一の勇士・キャプテンラドラに、帝王ゴールから直々に出撃命令が下った。メカザウルス・ジグに搭乗し、正々堂々とゲッターロボに立ち向かうラドラ。彼は恐竜帝国には珍しい、廉直な義侠心の持ち主だった。敗北して崖から転落しそうになったキャプテンラドラを、リョウが思わず手を差し伸べて助けてしまう。
何者かに航空機が撃墜される事件が続発していた。制空権を確保しようと企む恐竜帝国が、メカザウルス・バズに空中戦の模擬訓練を繰り返させていたのだ。その頃、ゲッター1にばかりに活躍されるのが悔しくてならないムサシは、ゲッター3が主役になるために飛行能力を身につけさせようと、延々と実験を繰り返していた。
恐竜帝国のキャプテンバルキは、頑固なうえにせっかちな男。自分がゲッターロボを倒してみせると帝王ゴールに言い放ち、勝手に出撃してしまう。彼はメカザウルス・ギリを使って陽動作戦を行ったりと、なかなかの策士でもあった。スパイに仕立てられたバルキの部下が、ゲットマシン破壊を狙って研究所に潜入してくる。
深夜の都心上空に飛行船の大編隊が現れ、メカザウルスのパーツが格納されたコンテナを次々と降下させた。パーツが合体し、不死身のメカザウルス・ウルが出現。攻撃目標の発電所に向かって進撃を開始する。ゲッターチームは果敢に立ち向かうものの、ウルはトマホークを容易にキャッチ。ゲッターロボを全く寄せつけない。
浅間学園柔道部に、他校の主将・岩倉が道場破りにやって来た。ムサシが相手になろうと名乗り出るが、勝負の始まる寸前にゲッターチームの緊急招集がかかる。卑怯者呼ばわりされながらその場を離れ、ゲットマシンに乗り込んだ彼は、柔道のことが気にかかって仕方がない。しかも度重なる招集に、彼はうんざりしてしまう。
恐竜帝国の誇る武人・バット将軍と、驚異の頭脳を誇る科学者・ガレリィ長官が戦列に加わることになった。バット将軍はキャプテンガルマに出撃命令を下し、ガレリィ長官はガルマに搭乗させるため、自信作のメカザウルス・ギイを提供する。トレーニングの最中にムサシが負傷してしまった折も折、ギイが現れて暴れ始める。
ミチルの弟・元気が、恐竜帝国に誘拐されてしまった。しかも心臓に重大な病気を持つ少女・悠子が一緒だ。悠子の命を支える薬は、あと一回の服用分を残すのみ。ゲッターチームは決死の覚悟で奪還作戦に乗り出すが、強力なメカザウルス・シバに阻まれてしまう。少しずつ絶望に沈んでゆく一同。刻一刻と少女の死が迫る。
“ゲッター計画”を、ついに実行に移す時がやって来た。早乙女博士が長年暖めてきた、一大宇宙開発プロジェクトだ。博士は恐竜帝国撃退に使おうと、ゲッター線を収集しようとしているに違いない…邪推した帝王ゴールは、計画を阻止するために、労働施設に閉じ込めていた地竜族の一人・シックを解き放つ。
メカザウルス・ジカの襲撃現場で、ミチルが逃げ遅れていた美少女を助けた。彼女の名前はルミ子。怪我が治るまで研究所で世話になることになった。ミチルと違って大人しく、どこかミステリアスな雰囲気をまとった彼女には、実は重大な秘密があった。ゲッターロボの設計図を狙って潜入した、恐竜帝国のスパイだったのだ。
ガレリィ長官が、ネジそっくりの超小型時限爆弾を開発した。ゲットマシンにネジ爆弾を取り付ける困難な任務には、バット将軍の甥・ザンキが当たることになった。メカザウルス・ゼンを与えられたザンキは、亡き達人の親友だった右京哲に変装して研究所に潜入。任務を成功させる。ところが彼は、それだけで満足出来ず…。
ゲッター線を効果的に採取するため、ゲッター線キャッチャーという人工衛星が打ち上げられることになった。打ち上げを間近に控えたある日、リョウの父が研究所に訪ねてくる。母親が倒れたので、故郷の九州に帰ってこいというのだ。早乙女博士の説得にも耳を貸さず、リョウは言いつけ通り実家に帰ることを決心する。
ミチルと元気の母・和子が、墓参りのため故郷に帰ることになった。夏が来る度に和子の脳裏には、大空襲に怯えた戦時中の記憶が甦る。空一面を埋め尽くした戦闘機の大群。劫火に包まれた生家。そして目の前で死んでいった父の姿。現れたメカザウルス・ヨグと戦闘機軍団の姿は、あの夏に見た光景とあまりにも似ていた…。
アメリカのスーパーロボット・テキサスマックが、早乙女研究所を訪れた。テキサスマックの優れた性能に、パイロットであるジャックとメリー鼻高々。二人の態度にリョウたちは反感を強める。メカザウルス・ゴルが出現すると、研究所は戦闘態勢に。実力を見せつけようと出撃したゲッターロボは、敗北を喫してしまう。
行方不明になっていたミチルの姉・ミユキが、突然早乙女家に帰ってきた。元々彼女は早乙女家に保護された孤児で、ミチルと直接の血のつながりはない。実は彼女の正体は、帝王ゴールの娘・ゴーラだった。もう一体のゲッターロボであるゲッタークイーンの設計図を盗み出すため、長きに渡って早乙女家に潜伏していたのだ。
素人発明家の大枯文次が、お手伝いロボットの浅太郎を連れて早乙女研究所に怒鳴り込んできた。ゲットマシンの引き起こす騒音や振動を何とかしろというのだ。文次が怒りに任せて暴れまわったせいで、研究所内は一触即発の険悪な雰囲気に。ところがゲットチームの絶体絶命の危機を救ったのも、その文次だった。
メカザウルス・ギギが出現。ムサシの出動が遅れたために研究所が総攻撃を受け、ミチルが恐竜帝国の捕虜になってしまった。罪の意識にかられたムサシは、後輩のジョーホーに頭を下げて協力を頼む。ジョーホーは完成させた鳥形ロボットをムサシに託す。修理中のゲッターロボの代わりに、ギギに反撃する手段を得たのだ。
メカザウルス・バムが早乙女研究所を襲った。文次は攻撃の余波の振動をゲッターロボのせいだと勘違いし、またもや研究所に怒鳴り込んでくる。ところがミチルの姿を目にした途端に態度は軟化。どうやら一目で心を奪われてしまったらしい。文次は彼女のために恐竜帝国と戦うのだと息巻いて、勝手にメカの開発に着手する。
恐竜帝国の建国記念日が間近に迫っていた。その日までに早乙女研究所を攻略しようと、バット将軍やガレリィ長官自らがパイロットとしてメカザウルスに搭乗し、火山噴火を起こして研究所を巻き込むという大作戦に乗り出す。一方の研究所では、ムサシと文次がミチルを巡って恋のさや当てを繰り広げていて…。
地底深くに君臨する、大魔人ユラー。マグマの神と呼ばれる彼こそ、恐竜帝国真の支配者だった。ユラーは地上世界の征服が完了しないことに苛立ち、帝王ゴールを叱責。焦ったゴールはメカザウルス・バボを放ち、ゲッターチームのベアー号に手痛いダメージを負わせる。ゲッターロボは猛攻の前に、出撃不能に陥ってしまった!
ゲッター線を利用した発電所建設に協力してもらうため、電子工学の権威である勝田博士が招かれた。ゲッター線は、人類に多大な恩恵を与える理想的なエネルギーになるのだ。恐竜帝国は発電所建設を阻もうと、地竜族三人衆を送り込んでゲッター線収集装置の設計図を奪う。設計図を取り戻すため、ゲッターチームが出動する。
早乙女博士は極秘で第二のゲッター線発電所を建設し、完成寸前にまでこぎつけていた。後はゲッター線収集装置を組み込むだけ。だが、建設計画を察知した恐竜帝国の攻撃が始まってしまう。博士はリョウたちにゲッター線収集装置の運搬を任せ、ゲッターロボを自動操縦で動かしてメカザウルスの注意をそらそうとするが…。
ゲッターロボには意外な弱点があった。合体した後は視界の確保をモニターに頼り切ってしまうため、肉眼での目視が不可能になるのだ。それはつまり、モニターが壊れたら盲目同然になってしまうことに他ならない。それに気付いたガレリィ長官は、妨害電波を放つメカザウルス・ダグを差し向け、ゲッタロボを追いつめる。
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