影片改编自同名热门绘本，背景设定在洋溢未来风格的过往年代。主人公米歇尔（米莉·波比·布朗 饰）是个失去双亲的少女，她为了寻找失散的弟弟而踏上穿越美国西部之旅，与她同行的是个可爱又神秘的机器人，以及一名古怪的流浪客（克里斯·帕拉特 饰）。

八年前，一个名为堡垒的独立全球间谍机构，被新兴的犯罪集团曼提柯尔所摧毁。精英特工梅森·凯恩（理查德·麦登 饰）和纳迪亚·辛格 （朴雅卡·乔普拉 饰）死里逃生，而他们的记忆也被抹去。八年后，梅森的前同事伯纳德·奥立克（斯坦利·图齐 饰）请求他帮忙阻止曼提柯尔建立新的世界秩序。

渐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弥漫出来的凶险气味。而当得知神盾局正秘密进行的“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）遭到一群武装分子袭击，他拼尽全力将一支U盘交到美国队长手中，这里面藏着该局二战以来最重要且最可怕的秘密。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。                                                                    　　他们必须争分夺秒解开神盾局的秘密，阻止“洞察计划”的施行……