Koji Kabuto, pilota del Mazinga Z, si trasferisce negli USA per motivi di studio e nel frattempo il padre, il Dr. Kenzo Kabuto, completa il progetto del Grande Mazinga: una nuova versione potenziata dell’originale Mazinga Z.
Il pilota di questo grande robot è Tetsuya Tsurugi, un ragazzo orfano adottato dal Dr. Kabuto e allenato da fin da quando era un adolescente per essere il pilota del Grande Mazinga. Il dottore alleva anche un'orfana, Jun, una ragazza a cui verrà affidato un robot dalle sembianze femminili, Venus Alfa, che aiuta il Grande Mazinga in combattimento anche se con scarsi risultati.
Il dottor Kabuto è capo di una potente base di ricerca, la Fortezza delle Scienze, un baluardo che si oppone ad un malefico popolo invasore, il temibile Impero di Mikene, un popolo di esseri per metà organici e per metà meccanici, scacciato dalla sua terra di origine e stabilitosi nel sottosuolo. Gli appartenenti a questa razza hanno cambiato i loro corpi in quelli di giganteschi automi con una seconda testa, solitamente incastonata nel torace. L'esercito di Mikene viene guidato dall'Imperatore delle Tenebre che comanda sette generali (ognuno dei quali rappresenta un preciso mondo animale) più il duca Gorgon, il Ministro Argos e il Generale Nero e, alla morte di quest'ultimo, soppiantato dal Gran Maresciallo Inferno.

Ad aiutare Tetsuya, Jun e Boss Robot arrivano Koji e Sayaka con i rispettivi robot; la lotta è estenuante ma finalmente riescono a sconfiggere il nemico. Sfortunatamente il dottor Kabuto muore sacrificando la vita per salvare quella dei suoi figli.
Alla fine tutti i robot che hanno sempre difeso la terra dalle invasioni aliene vengono esposti in un museo dove verranno sempre ricordati da tutti come grandi eroi.