逐渐习惯了现代生活的美国队长史蒂夫·罗杰斯(克里斯·埃文斯 Chris Evans 饰),在一次行动后隐隐嗅到神盾局内部所充满出来的凶险气味。而当得知神盾局正隐秘进行的“洞察计划”后,他更为此感到愤怒。某天,神盾局指挥官尼克-法瑞(塞缪尔·杰克逊 Samuel L. Jackson 饰)遭到一群装备分子袭击,他拼尽全力将一支U盘交到美国队长手中,这里边藏着该局二战以来最重要且最可怕的隐秘。在此之后,美国队长因涉嫌杀害尼克而遭到前局长亚历山大·皮尔斯(罗伯特·雷德福/Robert Redford 饰)的通缉和追杀,逃亡中他得到黑寡妇(斯嘉丽·约翰逊 Scarlett Johansson 饰)和退伍老兵“猎鹰”(安东尼·麦凯 Anthony Mackie 饰)的帮助。