故事发生在《复仇者联盟》纽约大战两年后，史蒂夫·罗杰斯（克里斯·埃文斯 Chris Evans 饰）已定居华盛顿。渐渐习惯了现代生活的美国队长，在一次行动后隐隐嗅到神盾局内部所弥漫出的凶险气息。当他得知神盾局正秘密推进“洞察计划”后，内心的正义感让他对此感到无比愤怒。 某天，神盾局现任局长尼克·弗瑞（塞缪尔·杰克逊 Samuel L. Jackson 饰）突遭一群武装分子猛烈袭击。身陷绝境的他拼尽全力，将一支藏着神盾局自二战以来最可怕秘密的U盘交到了美国队长手中。此后，史蒂夫因涉嫌杀害尼克，遭到神盾局前局长亚历山大·皮尔斯（罗伯特·雷德福 Robert Redford 饰）下达的全境通缉与致命追杀。 在惊险的逃亡途中，美国队长迎来了黑寡妇（斯嘉丽·约翰逊 Scarlett Johansson 饰）与退伍老兵“猎鹰”（安东尼·麦凯 Anthony Mackie 饰）的鼎力相助。面对错综复杂的阴谋网，他们必须争分夺秒解开神盾局的黑暗秘密，抢在全舰启动前阻止“洞察计划”的施行，一场关乎自由与存亡的反击战就此打响……