伊森·亨特（汤姆·克鲁斯饰）和队友们接到了追回三个大杀伤性核武器的任务。眼见任务马上就能完成，但为了挽救其中一位队友卢瑟（文·瑞姆斯饰）的生命，三个核武器被人趁机带走。中情局负责人斯隆女士（安吉拉·贝塞特饰）调来她手下的得意猛将沃克（亨利·卡维尔饰），让他盯着伊森·亨特完成追回核武器的任务。期间，女特工伊尔莎（丽贝卡·弗格森饰）突然出现，伊森·亨特发现，他要面对的并不只是恐怖分子，还有潜藏在政府部门的内鬼。

　　“惊奇队长”卡罗尔·丹弗斯（布丽·拉尔森 Brie Larson 饰）曾经鲁莽的正义之举，在宇宙中埋下巨大祸端。因本星球至高智慧被卡罗尔毁灭，导致整个星球生态系统崩溃，克里人达本满心仇恨，在找到了拥有强大力量的远古手环后，她开始实施从其他星球抢夺大气、水和太阳的计划。与此同时，卡罗尔和她的侄女——如今供职天剑局的光谱莫妮卡·兰博（泰柔娜·派丽丝 Teyonah Parris 饰）以及自己的超级粉丝“惊奇少女”卡玛拉·克汗（伊曼·韦拉尼 Iman Vellani 饰）发生了量子纠缠，三个女子只要同时施展超能力就会彼此互换位置。
　　通过最初的磨合，三代“惊奇队长”站在了同一条战线上，她们将拼尽全力保护自己所重视的人和事，同时也将努力弥补自己曾经犯下的错误……