울트라맨 코스모스가 처음 지구에 도착해, 하루노 무사시와 만난 날로부터 8년의 시간이 지났다. 괴수들은 보호구역에 격리된 채 인류와 공존하고 있었다. 어느날 우주로부터 빛나는 물체가 날아들어 보호구역에 있는 괴수 리들리어스에게 빙의하고, 공포스러운 모습으로 변화한 리들리어스는 마구 날뛰기 시작한다. SRC 우주개발 센터의 파일럿 후보생이 된 무사시는 리들리어스를 도와주려 하다가 궁지에 몰리고, 때마침 나타난 울트라맨 코스모스에게 구조된다. 리들리어스를 구하고 싶어하는 무사시는 코스모스와 일심동체화 울트라맨 코스모스가 된다. 그리고 이 영웅적인 행동이 인정받아 SRC의 특수부대인 TEAM EYES에 배속되게 된다. 괴수를 날뛰게 만든 의문의 적은 '카오스 헤더'라고 불리우며, 울트라맨이 된 무사시는 이들과의 처절한 싸움을 해나간다.