O enredo de Dragon Ball Z é situado 5 anos após o final da série anterior, com Goku adulto e pai de seu filho Gohan. Ele conhece seu irmão mais velho, Raditz, que lhe informa que ambos são membros de uma raça extraterrestre, os Sayajins (サイヤ人, Saiya-jin?). Tal raça enviou Goku ainda criança para a Terra com o objetivo de conquistar o planeta. Mas, ele fere sua cabeça logo após a aterragem e esquece sua missão inicial. Goku se nega a ajudar Raditz a continuar a missão e começa a confrontar outros inimigos do espaço, como o príncipe dos Saiyajins, Vegeta, que se torna seu rival e posteriormente seu aliado. Ele também enfrenta Freeza, um tirano galático responsável pela destruição da raça Saiyajin, cujas ações levam Goku a se transformar em Super Saiyajin. Após uma dura batalha no planeta Namekusei (ナメック星, Namekku-sei?), Goku derrota Freeza e vinga as mortes de bilhões de seres por todo o universo.

Quatro anos depois, um grupo de Andróides (人造人間, Jinzōningen?) das Forças Red Ribbon aparecem, buscando vingança contra Goku. Mais adiante, surge ainda uma criatura maligna chamada Cell, que após absorver dois dos androides para aumentar seu poder, organiza um torneio de artes marciais para decidir o destino da Terra, mas é derrotado por Gohan.

Sete anos depois, Goku é atraído para outra batalha pelo bem do universo, contra um monstro mágico chamado Majin Boo. Com a importante ajuda de Vegeta e de seus amigos Guerreiros Z, Goku consegue destruir a parte má de Boo e a parte boa do mesmo se une a eles. Dez anos depois, em outro torneio de artes marciais, Goku encontra a reencarnação humana de Boo, Oob. Ao fim da série, Goku leva Oob em uma jornada para treiná-lo como o próximo protetor da Terra.