La storia segue Vers, una potente guerriera Kree che ha perso la memoria e vive sul pianeta Hala. Soffre di incubi ricorrenti su una vita passata che non ricorda e combatte al fianco della Starforce Kree contro i Skrull, alieni mutaforma che sono in guerra con i Kree da secoli.
Durante una missione, Vers viene catturata dagli Skrull e interroga i loro capi, incluso Talos, che cercano indizi su un motore a velocità della luce sviluppato da una scienziata Kree scomparsa, Mar-Vell. Vers riesce a fuggire e precipita sulla Terra.
Atterrata in un Blockbuster, incontra un giovane agente dello S.H.I.E.L.D. di nome Nick Fury (ancora con entrambi gli occhi) e il suo partner, Phil Coulson. Insieme, Fury e Vers iniziano a indagare sulla sua identità e sulla presenza Skrull sulla Terra.
Mentre scopre indizi sulla sua vita passata, Vers si rende conto che il suo vero nome è Carol Danvers, una pilota dell’aeronautica militare degli Stati Uniti scomparsa misteriosamente sei anni prima. Scopre anche che la sua mentore, la dottoressa Wendy Lawson, era in realtà Mar-Vell, la scienziata Kree che stava cercando di porre fine alla guerra sviluppando un motore a energia pulita.
La trama prende una svolta quando Talos rivela la verità: i Kree sono i veri aggressori e gli Skrull sono solo profughi in cerca di una nuova casa. I Kree hanno ucciso Mar-Vell perché voleva aiutarli.
Carol, Fury e i loro nuovi alleati Skrull si dirigono verso l’orbita terrestre, dove trovano una stazione spaziale laboratorio camuffata, che contiene il Tesseract (che alimenta il motore) e la famiglia di Talos. Hela e la Starforce li raggiungono, e Carol è costretta ad affrontare il suo ex comandante e l’Intelligenza Suprema Kree.
Infine, Carol abbraccia i suoi poteri latenti, distruggendo l’Intelligenza Suprema e diventando la potentissima Captain Marvel. Sconfigge i Kree, ma li avverte che non interferiranno più sulla Terra.
Il film si conclude con Captain Marvel che parte nello spazio per aiutare Talos e il suo popolo a trovare un mondo sicuro, lasciando a Nick Fury un cercapersone modificato per chiamarla solo in caso di emergenza estrema (lo stesso che vedremo usare da Fury nella scena post-credit di Infinity War).
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