ウルトラマンコスモスが初めて地球に来訪し、春野ムサシと出会ってから8年後の西暦2009年。怪獣たちは保護区域に隔離され、人類と共存している。

ある日、宇宙から光る物体が飛来し、保護区域にいた怪獣リドリアスに憑依。リドリアスは禍々しい姿に変貌し、暴れだした。SRC宇宙開発センターのパイロット候補生となっていたムサシはリドリアスを助けようとして窮地に陥るが、ウルトラマンコスモスに助けられた。

リドリアスを救ったムサシはコスモスと一心同体となり、その勇敢な行為からムサシはSRCの特捜部隊・TEAM EYESに入隊。彼らは怪獣たちを保護しながら、「カオスヘッダー」と名付けられた敵と対峙していく。

「奇跡の光」とも呼ばれる宇宙からやって来た神秘の巨人。争いを好まず、相手を傷つけずに友好関係を築くことを望んでいるが、凶悪で卑劣な者に対しては果敢に立ち向かう戦士である。『ウルトラマンコスモス THE FIRST CONTACT』でバルタン星人を追って地球に飛来し、ムサシと知り合う。

事件解決後、宇宙に帰るが、カオスヘッダーが地球に出現した際に再び地球に現れ、ムサシと一体化する。

著しく活動エネルギーを消耗すると、全身が半透明状態となる。絶体絶命の危機に瀕した際には一体化しているムサシを強制的に分離することもあり、本編の中盤と終盤と映画『劇場版 ウルトラマンギンガS 決戦!ウルトラ10勇士!!』において三回自身が倒される直前にムサシを分離している。

基本形態のルナモードには頭部に手が加えられておらず、一見トサカにあたる部位がやや長大であること以外は初代ウルトラマンと同様に見えるが体色は青・銀のカラーリングであり、その点が特殊である。コロナモードは平成3部作のウルトラマン同様に頭部を削減したもので、体色はメインが赤・銀でアクセントとして青が入っており、模様は左右非対称である。エクリプスモードも頭部が変化し、体色は赤・青・金・銀の非常に派手なカラーリングになっている。

変身直後の青と銀を基調としたコスモスの基本形態。ウルトラマンの「優しさ」「慈愛」を体現する「月の優しき光のごとき、慈愛の巨人」のモード。防御力・持久力に優れ、太極拳のような体術を見せる。相手を攻撃することなく、敵の力を受け流し、拳を握らず平手で怪獣と対峙するのが特徴。

『ウルトラマンサーガ』ではハイパーゼットンと対峙した際もルナモードを使用。この理由は画コンテ集[要文献特定詳細情報]で明らかになった内容として、ハイパーゼットンはカオスヘッダー0を吸収していて、ウルトラマンコスモスはカオスヘッダー0の救出のために参戦するという内容だった名残である。

『ウルトラゼロファイト』では、ウルトラマンダイナ・ミラクルタイプの力と共にルナミラクルとしてウルトラマンゼロに与えられた。