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……

　　2028年，专事军火开发的机器人公司Omni Corp.生产了大量装备精良的机械战警，他们被投入到维和和惩治犯罪等行动中，取得显著的效果。罪犯横行的底特律市，嫉恶如仇、正义感十足的警察亚历克斯·墨菲（乔尔·金纳曼 Joel Kinnaman 饰）遭到仇家暗算，身体受到毁灭性破坏。借助于Omni公司天才博士丹尼特·诺顿（加里·奥德曼 Gary Oldman 饰）最前沿的技术，墨菲以机械战警的形态复活。数轮严格的测试表明，墨菲足以承担起维护社会治安的重任，他的口碑在民众中直线飙升，而墨菲的妻子克拉拉（艾比·考尼什 Abbie Cornish 饰）和儿子大卫却再难从他身上感觉亲人的温暖。
　　感知到妻儿的痛苦，墨菲决心向策划杀害自己的犯罪头子展开反击……