在围剿外星人的战斗中，星际队成员弗斯（布丽·拉尔森 Brie Larson 饰）不幸被敌人抓获。外星人试图探查弗斯的记忆，最终揭露了一段弗斯自己都不知道的过往，同时也得知一个名为温迪?劳森博士的女人拥有他们迫切想要的时空引擎。利用自身强大的超能力，弗斯成功摆脱束缚，逃到了代号为C-53的地球，这也是她失落记忆的发生地。不久后，神盾局探员弗瑞特工（塞缪尔·杰克逊 Samuel L. Jackson 饰）上门找她，而紧接着外星人的到来引起了地球上空前的骚动。 在这一过程中，弗瑞特工意识到了情况的紧急，并帮助弗斯认识到真实的自我。顽强的弗斯最终找到了真正需要守护的事物……《惊奇队长》展开了一场跨越时空的震撼旅程。