Während des Zweiten Weltkriegs wird Steve Rogers auserwählt, der erste Supersoldat der Welt zu werden. Doch bevor er das Serum erhalten kann, wird er von einem Hydra-Spion verletzt. Die Agentin der Strategic Scientific Reserve, Peggy Carter, ist im Operationssaal anwesend, tötet den Spion und bekommt stattdessen das Serum. Trotz ihrer neuen Kräfte wird sie vom Anführer der SSR, John Flynn, vom Kampf zurückgehalten. Der Erfinder Howard Stark schenkt ihr jedoch ein Schild aus Vibranium. Nach dem erfolgreichen Diebstahl des Tesserakts von Hydra ernennt Flynn sie widerwillig zur "Captain Carter" und Stark entwickelt mithilfe des Tesserakts einen bewaffneten "Hydra Stomper"-Anzug, den Rogers steuert.
Gemeinsam bestreiten Carter und Rogers viele Schlachten, bis Rogers bei einem Angriff auf einen Hydra-Zug verschwindet. Schließlich finden Carter und ihre Verbündeten Rogers bei der Infiltration einer Hydra-Basis. Sie sehen, wie der Hydra-Anführer Johann Schmidt, bekannt als der Rote Schädel, den Tesserakt benutzt, um ein Portal zu öffnen. Ein interdimensionales Wesen erscheint und tötet Schmidt. Um das Wesen zurückzudrängen, betritt Carter das sich schließende Portal. Fast 70 Jahre später öffnet der Tesserakt ein weiteres Portal und Carter tritt heraus. Sie trifft auf Nick Fury und Clint Barton.
Die Besetzung umfasst: Hayley Atwell als Peggy Carter/Captain Carter, Sebastian Stan als Bucky Barnes, Dominic Cooper als Howard Stark, Stanley Tucci als Abraham Erskine, Toby Jones als Arnim Zola, Bradley Whitford als John Flynn, Ross Marquand als Johann Schmidt/Red Skull und Darrell Hammond als Nazi-General.
