Một ngày nọ, các nhà khoa học S.H.I.E.L.D. ở Bắc Cực đã tìm thấy xác một máy bay cỡ lớn. Kiểm tra ở trong, hai người phát hiện một vật thể bị đóng băng có 3 vòng màu đỏ, trắng và xanh lam và một ngôi sao trắng ở giữa.

Tháng 3 năm 1942, sĩ quan Quốc xã Johann Schmidt và người của hắn tấn công một nhà thờ ở Tonsberg, Na Uy, để đánh cắp khối lập phương Tesseract, cái mà Schmidt gọi là "Báu vật trong kho báu của thần Odin". Tại New York, anh chàng người Brooklyn - Steve Rogers lại bị từ chối nhập ngũ cho Thế Chiến lần 2 do thể trạng còi cọc và nhiều tiền sử bệnh lý. Bạn thân của Rogers, Trung sĩ James "Bucky" Barnes, đưa Rogers tới triển lãm "Công nghệ hiện đại cho tương lai", nơi nhà sáng chế nổi tiếng Howard Stark giới thiệu một chiếc ôtô bay thử nghiệm. Rogers lại tranh thủ đăng ký vào một trung tâm tuyển quân khác. Khi Barnes đang cố gắng thuyết phục anh bỏ cuộc, thì nhiệt huyết muốn phục vụ Tổ quốc của Rogers được Tiến sĩ người Đức Abraham Erskine tình cờ phát hiện, người đang hợp tác với Cục Dữ Trữ Khoa Học Chiến Lược Hoa Kỳ. Ông đặc cách tuyển Rogers vào một đội lính đóng tại trại Lehigh, tiểu bang New York. Ở đó, dưới quyền Đại tá Chester Phillips và sĩ quan SSR Peggy Carter, một người sẽ được chọn cho thử nghiệm "siêu quân nhân" đầu tiên. Phillips tiến cử Gilmore Hodge, nhưng một hành động dũng cảm hi sinh thân mình trong buổi huấn luyện của Rogers đã khiến Erskine miễn cưỡng chọn Rogers. Ở châu Âu, Schmidt và nhà khoa học Arnim Zola bắt đầu khai thác thành công sức mạnh từ Tesseract, rồi sai một sát thủ trừ khử Erskine. Trong một phòng thí nghiệm bí mật dưới một tiệm bán đồ cũ ở Brooklyn, dưới sự chứng kiến của Erskine cùng Thượng Nghĩ sĩ Brandt và nhân viên Bộ Ngoại giao Mỹ Fred Clemson, Rogers được tiêm huyết thanh vào người qua những chiếc kim siêu nhỏ và huyết thanh được kích hoạt bằng chiếu tia mà Erskine gọi là "Vita-rays". Rogers bước ra khỏi lồng thí nghiệm với vẻ ngoài to cao và cơ bắp - và khả năng mới của anh được thử thách ngay lập tức khi Clemson giết Erskine và trộm lọ huyết thanh dự phòng, bộc lộ thân phận thật là gián điệp Heinz Kruger. Rogers đuổi theo Kruger khi hắn tháo chạy với một chiếc ôtô, cho dù Carter đã giết được tên tài xế. Cuối cùng, Rogers cũng bắt được Kruger khi hắn đang chạy trốn bằng chiếc tàu ngầm cá nhân, nhưng ống huyết thanh vô tình rơi vỡ, còn hắn tự sát bằng một viên xyanua sau khi khai ra tổ chức của hắn là HYDRA - vốn thuộc Đức Quốc Xã nhưng đã bộc lộ mưu đồ thống trị cả thế giới.

Với cái chết của Erskine và không còn mẫu huyết thanh, SSR bị buộc phải giao chiến ngay với HYDRA, nhưng Rogers bị Phillips đẩy vào phòng thí nghiệm với hi vọng phục chế được công thức của Erskine. Sau đó, Thượng nghị sĩ Brandt cử Rogers vào vai chính "Captain America" trong rất nhiều chuyến lưu diễn ở nhiều nước để đẩy mạnh việc bán trái phiếu chiến tranh. Tại một buổi văn nghệ cổ động cho lính Mỹ ở Italia vào tháng 11 năm 1943, Rogers đã bị chế giễu rồi bắt đầu nhận ra mình bị lợi dụng làm khỉ rạp xiếc[lower-alpha 1]. Khi Rogers nghe tin người bạn Barnes đang bị lực lượng của Schmidt bắt làm tù binh, Rogers đã thuyết phục Carter và Stark dùng máy bay đưa anh đến thẳng nơi giam giữ để thực hiện màn giải cứu con tin một mình. Bất ngờ thay đó lại chính là một nhà máy của lực lượng HYDRA. Rogers đã cứu được Barnes và những người khác, rồi lần đầu tiên chạm trán với chính Schmidt, thủ lĩnh của HYDRA và siêu chiến binh đầu tiên của tiến sĩ Erskine, lúc này được gọi là Red Skull do huyết thanh chưa hoàn thiện làm biến dạng gương mặt hắn. Schmidt và Zola rút lui sau khi tự hủy nhà máy, còn Rogers đưa toàn bộ con tin về căn cứ an toàn cùng với nhiều trang bị hiện đại sử dụng năng lượng tesseract.

Để tiêu diệt các căn cứ của HYDRA, Rogers tuyển một đội gồm có Barnes, Timothy "Dum Dum" Dugan, Gabe Jones, Jim Morita, James Montgomery Falsworth và Jacques Dernier. Sử dụng một chiếc khiên tròn có thể hấp thụ mọi rung động được làm bởi chất liệu mà Stark gọi là Vibranium, Rogers và đội của mình đã tiêu diệt hầu hết các căn cứ, chỉ còn chưa rõ vị trí của căn cứ chính. Vì vậy, Rogers và Barnes đu dây lên đoàn tàu đang chở Tiến sĩ Zola. Trong cuộc tấn công trên tàu, Barnes đã rơi xuống vực thẳm trước sự chứng kiến của Rogers.

Rogers với những thông tin Phillips đã khai thác được từ Zola, lãnh đạo đội biệt kích tới căn cứ cuối cùng của Skull tại dãy núi Alpes. Rogers trèo lên được máy bay của Skull - Valkyrie - khi nó cất cánh để thực hiện kế hoạch sử dụng năng lượng Tesseract san bằng nước Mỹ, cuối cùng đã đối mặt với Red Skull. Red Skull cố gắng sử dụng Tesseract trực tiếp nhưng thay vào đó lại bị hút vào một cánh cổng được mở ra bởi năng lượng của Tesseract, khiến Rogers tin rằng hắn đã chết. Tesseract nung chảy vỏ máy bay và rơi xuống biển. Như Carter nghe được trong điện đàm, Rogers đã đâm chiếc máy bay xuống Bắc Cực. Stark tìm lại được Tesseract nhưng chiếc Valkyrie thì mất tích và Rogers được tuyên bố là đã hi sinh trong khi chiến đấu.

Trong cảnh phim hiện tại, Rogers tỉnh lại trong một căn phòng được thiết kế như là anh vẫn đang ở thập niên 40. Sau khi nhận ra được sự thật, anh chạy ra đến Quảng trường Thời Đại và ngỡ ngàng trước cảnh tượng không hề quen thuộc. Giám đốc tổ chức S.H.I.E.L.D, Nick Fury đợi sẵn ở đó và cho biết họ muốn anh từ từ nhận ra mình đã ngủ gần 70 năm, chỉ muốn anh thích nghi dần với thời hiện đại. Rogers nói rằng anh đã lỡ một cuộc hẹn. Ở cảnh post-credit, Fury giao cho Rogers một nhiệm vụ về việc cứu thế giới mới.