超時空大決戰講述的是在現實世界，有個國小生新星勉，是個奧特曼迷。一天晚上他在觀看《蓋亞·奧特曼》的錄像片時被捲入奇怪空間，看見一個紅色的球，以及一個站在火海中的女孩。次日回校，這個女孩竟真的出現，她就是勉的新同學--沉默寡言的七瀨理沙。就在同一天，勉真地發現自家的倉庫中就放着那個紅色的球。紅球自稱可以幫人實現任何願望。勉在理沙的鼓動下，向球許願希望見到電視中的角色高山我夢。天空出現怪異雲團，從雲團中飛出了搭載着我夢的Fighter EX!勉興奮地追過去，並告訴其他人關於這個球的事。包括平時在學校恃強凌弱的鹿島田浩、小杉亙、中原耕平三人組。浩把球搶在手中，聲稱要召喚出一隻怪獸，不料精神寄生獸-撒旦比佐立刻出現了，嚇得浩一下丟下了球。我夢見情況不妙，立刻變身為蓋亞·奧特曼對付怪獸。勉撿回了球，連同好友平間優和理沙觀戰。然而蓋亞剛出現不久就能量不足了，陷入了苦戰，幸而最終還是很快戰勝了怪獸。蓋亞變回人間體我夢，返回EX，但此時的EX憶被一大羣小朋友圍得水泄不通，大家異口同聲叫我夢"變身"。我夢為逃脱孩子們的追蹤，躲進一家奧特曼玩具店，又被店老闆認出自己的真實身份，我夢才知道自己穿越了時空。
勉找到了我夢，告訴他事情的緣由，並讓我夢遙控EX開進自家的倉庫。我夢用分析儀採集了紅球的數據。勉希望我夢能給他的圖書《格列佛遊記》簽名，但我夢還未來得及簽名就聽到了倉庫外的喊聲，便順手把書放在分析儀上。此時，警方已經把倉庫包圍，意圖逮捕"國籍不明的空軍飛行員"我夢，勉極力請求停止。就在混亂中，紅球脱手並滾到街上，被浩等人再次拾獲;我夢、EX也莫名其妙地消失了。回到自己的世界的我夢，偶然回憶起穿越時空的事，於是察看了紅球的數據，得知紅球能滿足人類的任何慾望，但這些慾望的實現已經把多個平行世界毀滅了。我夢意識到勉的世界亦將面臨同樣命運。與此同時，勉等人到處尋找，終於在學校美術室找到了浩等人，他們正在製作怪獸模型。勉、優想偷偷地拿回紅球，但被浩、亙、耕平三人發現，三人已經被紅球控制了。浩、亙、耕押着勉、優走上天台。浩利用紅球把模型怪獸歐布猛斯王實體化。為拯救勉的世界，我夢不顧隊員反對，啟動由自己發明、尚處於研發試驗階段的超時空機器探險號，帶着勉的《格列佛遊記》出發，成功穿越到勉的時空，利用探險號對付歐布猛斯王。後又變身為蓋亞和怪獸對抗。
歐布猛斯王用紅色波流破壞了學校，把校內五人困在廢墟之上，紅球落在了廢墟里。勉不顧危險，撿回紅球，試圖許願讓怪獸消失，但無法成功。正在巴吉利斯用光彈炸燬廢墟之際，勉抱緊紅球高喊"光"，迪迦·奧特曼和戴拿·奧特曼出乎意料地出現了，被困五人獲救。迪迦、戴拿聯同蓋亞對付三大怪獸!迪迦將斯休拉拋入海洋;戴拿把巴吉利斯引向太空;蓋亞繼續留在地面對付歐布猛斯王。一番戰鬥後，蓋亞變為至高型。幾乎在同一時間，迪迦消滅了斯休拉，戴拿消滅了巴吉利斯，使得歐布猛斯王的腹部、雙翼隨即發生爆炸，元氣大傷，蓋亞用光子流線消滅了他。戰後，三位奧特曼聚首。蓋亞回覆人間體我夢，和勉擁抱了在一起。大家討論是否要用紅球重建城市，勉表示不可以再依賴球的力量了，寧願讓球永遠消失。這時，我夢告訴勉，理沙和紅球是一體的。理沙表示支持勉的願望。受她的鼓勵，勉勇敢地對紅球喊"消失吧!"隨後理沙消失，紅球變為藍球飛向空中。我夢把書歸還勉後亦消失了。迪迦、戴拿化成光點，與藍球融合，發出耀眼光芒……我夢迴到了他的世界，勉的世界也恢復了以往的平靜。一天，勉的班上有新的女同學加入--性格開朗的七瀨理沙。我夢駕駛着EX飛向藍天，心中默唸:"這個世界是不會毀滅的，絕對不會!"
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