《惊奇队长》的故事始于克里人与斯克鲁人的星际战争中。克里精英战士弗斯在一次围剿行动中被斯克鲁人俘虏，对方通过记忆探查发现她潜意识中埋藏着关于温迪·劳森博士的关键记忆——这位科学家掌握着能改变战局的时空引擎技术。当斯克鲁人试图进一步挖掘时，弗斯体内突然爆发出惊人能量，挣脱束缚后驾驶逃生舱坠落到代号C-53的地球，这里竟与她破碎记忆中的场景惊人重合。 　　在地球上，弗斯与年轻时的神盾局探员尼克·弗瑞相遇。此时斯克鲁人已伪装成人类潜入地球，引发连环骚乱。弗瑞在目睹弗斯徒手击落宇宙飞船、徒手发射光子冲击波等超能力后，决定协助她追查真相。两人根据记忆碎片找到前美国空军飞行员玛利亚·兰博，逐渐拼凑出弗斯作为人类飞行员卡罗尔·丹弗斯的过去——六年前她与劳森博士（实为克里叛逃科学家玛威尔）共同测试光速引擎时遭遇坠机，被克里人洗脑改造成了战争工具。 　　随着真相揭晓，弗斯意识到克里人一直在利用她消灭斯克鲁难民。当克里舰队指挥官勇·罗格率军抵达地球时，她彻底觉醒体内被能量核心赋予的宇宙级力量，双眼绽放光子能量击退克里舰队。最终她选择帮助斯克鲁人寻找新家园，并将改装过的传呼机交给弗瑞作为紧急联络装置。影片结尾，失去左眼的弗瑞开始组建"复仇者倡议"，而卡罗尔则飞向宇宙继续守护星际和平，为《复仇者联盟》系列埋下重要伏笔。