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。
Paul Conway自己设计制造了一架会思考的机器人，起名“哔哔”（BB）。哔哔善解人意讨人喜欢。万圣节晚上，Paul、Tom、Samantha及哔哔想利用遇节无禁忌的机会，闯入老处女Elvira Parker小姐的前院，没想到她不通情理朝哔哔开枪，打得粉碎，只剩下电脑晶片无损。不久感恩节来临，Paul邀Samantha共进晚餐，Samantha因此被继父打落楼梯，脑部严重撞伤送医诊断，因脑死而回天乏术。Paul得Tom相助，于Samantha脑中植入哔哔电脑微晶片，Samantha因而复活，然而完全为哔哔之思考模式，哔哔怨恨Samantha的继父和Elvira Parker小姐，展开复仇……
