美国队长”史蒂夫·罗杰斯在纽约战役之后就一直隐居在华盛顿，花了两年的时间适应现代环境、了解自己错过的历史，屡次隐藏身份来到史密森尼博物馆中的“美国-队长纪念馆”，观看了自己以前的战友伙伴、包括至今还忘不了的爱人佩姬·卡特。史蒂夫在两年期间找到了从军中退休的佩姬，虽然发现昔日的美丽爱人已经随着时光的流逝结婚生子、成为了白发苍苍的老人，而史蒂夫依旧十分关心她。一日，史蒂夫与“黑**”娜塔莎·罗曼诺夫，协同著神盾局“反击小组”前往一艘被海盗挟持的海上卫星发射平台“雷姆利亚星号”进行救援时，反击小组领队布洛克·朗姆洛到了厨房解救了人质，娜塔莎却私自脱队来到控制台上复制资料。任务结束后，史蒂夫对此不满而来位于华盛顿的“三曲翼大楼”会见局长尼克·弗瑞，之后被他带到总部地下室观望了世界安理会最新研发的“洞察计划”：利用最新研制的三架“下一代天空母舰”上装载的武器，锁定世界上所有威胁并取得先机。不久，尼克渐渐对神盾局内部感到不安而要求高级主管亚历山大·皮尔斯去暂缓洞察计划，开车去跟玛丽亚·希尔会合时，在路上却突然遭到一群假冒**队的伏击，最后还被一个身穿黑色盔甲、口戴面罩的“冬日战士”炸翻车。尼克侥幸逃出后去紧急通知史蒂夫，却被冬日战士开三枪贯穿胸膛。尼克将u盘交给了史蒂夫并提醒他“不要相信任何人”后不支倒地，火速送往医院接受手术却停止了心跳。史蒂夫随后将u盘藏好后被叫回三飞饰问话，遵从了尼克生前的命令而装作不知离开。而史蒂夫在离开时，遭到布洛克与其他神盾局卫兵的企图拿下，走投无路下只能跳下十层楼逃跑。史蒂夫回到医院拿回随身碟，与娜塔莎会合后问出了冬日战士的资料，得知他是一名过去五十年来几十多起刺杀案的幽灵**。两人合作**了随身碟的信号发射地点为新泽西州的“美军里海训练营”，史蒂夫到达后发现地点就是自己当兵时的地方。两人进入了“战略科学预备队”的办公区的地下室中，发现一个庞大的电脑工程仓库，将随身碟放在一个读取盘上后见到了人工智慧本尊—九头蛇科学家阿尼姆·佐拉。佐拉表明自己在1972年时死于绝症，在死前将自己的记忆、智力与思想存入人工智能中，并向两人陈述自己当初被美军抓获后，被刚创立的神盾局招募进去帮忙建造组织；之后开始神不知鬼不觉地在组织内部重建九头蛇，并应验了九头蛇的“砍掉一个头，就会再长出两个头”的宣言。九头蛇随着七十几年的和平则是一年一年壮大，创造了“冬日战士”帮他们清理门户，所有的一切都是为了等待今日创立的洞察计划。当史蒂夫发现自己的牺牲几乎毫无价值后，神盾局的一颗**飞来，将佐拉与其他仪器一起炸成了灰烬。两人逃出后被一名美军退伍伞兵山姆·威尔森收留，认为首先必须将贾斯伯抓来问个清楚。贾斯伯当天被他们俩设陷阱引出后被抓去问话，死不开口下被身穿军方“猎鹰”机械翅膀的山姆稍稍威胁一下就全数供出，“洞察计划”选择目标的程序是透过每个人从出身到成人的各种社会纪录计算，找出所有“可能阻碍九头蛇未来”的关键人物，最后用洞察计划的**武器进行全数歼灭。不久后，贾斯伯因为出卖了组织机密，被突然出现的冬日战士扔出去被车撞死，史蒂夫在与冬日战士的一场乱斗后将他的面罩拿下，却发现他的面孔是早已阵亡的好友—巴基·巴恩斯！史蒂夫不敢置信地叫了他的名字，却发现眼前的最好朋友早已毫无记忆。布洛克等人到场后奉命处决他们，但扮成卫兵的希尔现身解救了他们，并将他们带到了藏身之处后与活生生的尼克会合。尼克随后解释了自己其实是利用布鲁斯·班纳的医学技术拯救而起死回生，并说明了全局形势：唯一能够阻止三架**的方法，就是将含有病毒的控制磁片插入各个母舰的主控制平台。同时，巴基回到了自己的藏身之处开始回忆起自己的过去：掉下冰河、被九头蛇的馀党找到、由佐拉本人亲自清除记忆而成为一名毫无感情的**。隔天，洞察计划已经蓄势待发，史蒂夫用广播对总部中的所有神盾局特工公开了全部实情，使得总部中的所有九头蛇成员现出了原形提早行动。以女特工莎伦·卡特领导的神盾局特工们开始反击，但布洛克还是手动开启了三架母舰让它们升空。在顶楼，所有安全会议员发现了皮尔斯的真面目后全部遭到挟持，而伪装成女议员的娜塔莎突然现身解救、伴随着坐直升机到场的尼克，开始将神盾局和九头蛇的所有**全部公诸于世。皮尔斯在宁死不屈下启动徽章**炸死了其他议员，以娜塔莎作为人质而夺回了控制权。史蒂夫与山姆在母舰炮轰下安装了一号与二号舰的芯片，但来到三号舰控制平台时发现巴基早已在此等候，史蒂夫在别无选择下与他搏斗，一番苦斗才将他制服。此时母舰的武器已经全部设好目标（包括在纽约的复仇者大楼），但史蒂夫在千钧一发之际安装磁片使得目标全部消失，希尔在同一时刻改写系统而将目标设为它们自己，使得三架母舰在同一时间对“自己人”开炮。皮尔斯发现计画功亏一篑时，尼克找淮时机后开两枪射杀了他，并救走了娜塔莎，而皮尔斯在临死之际最后喊了一句“九头蛇万岁”！所有舰艇在严重受损下自我解体坠毁，史蒂夫在掉入河中时隐隐约约看到巴基伸手救了他，几天后从病房中醒来并日渐康复。神盾局因为这件事遭到**的攻击下正式解体，大部分成员为了躲避追踪，自行删除了个人资料后各奔东西。因为娜塔莎公开的资料，所有为九头蛇工作的**官员全部被逮捕，除了有部分馀党任然躲在世界各处，而劫后馀生的布洛克从大楼瓦砾堆中挖出来后被送去抢救。尼克决定隐瞒自己还活着的事实，将自己所有资料以及独眼罩全部放火烧成了灰烬，前往欧洲去调查九头蛇的馀党，娜塔莎提供了冬日战士所有的资料后感谢了史蒂夫的救命之恩，史蒂夫也决定与山姆合作去全力寻找他。后来，九头蛇位于欧洲西科维亚的基地中，组织科学家李斯特向他的同伙“男爵”沃夫冈·冯·史特拉克通报了尼克将组织信息公诸于世的事情，但史特拉克认为全世界还有数不尽的机构为九头蛇工作，而自己的手上也拥有可以创造“奇迹”的东西：被神盾局回收的“奇塔瑞权杖”、以及一对拥有超能力的“双胞胎兄妹”。同时，巴基在救了史蒂夫后没有恢复任何记忆，但还是开始接受史蒂夫对他讲的身世而来到美国队长纪念馆看了自己二战时的资料。回顾整个过程，佐拉是把自己的思维以及灵魂都透入网络（包括神盾局）so有着九头蛇无处不在
“洞察计划”选择目标的程序是透过每个人从出身到成人的各种社会纪录计算，找出所有“可能阻碍九头蛇未来”的关键人物