Hoje, os cientistas do Ártico estão descobrindo uma espécie de espaçonave de metal gigante. Dentro, eles encontram um escudo com um desenho vermelho, azul e branco.
Em março de 1942, o oficial nazista Johann Schmidt e seus homens invadiram Tønsberg, na Noruega, para roubar o misterioso tesserato, um objeto místico com poderes incalculáveis. Em Nova York, Steve Rogers foi rejeitado pelos militares dos EUA para lutar na Segunda Guerra Mundial devido à sua saúde frágil e várias doenças físicas. Ao visitar a Feira Mundial com seu amigo Bucky Barnes, Rogers tenta se alistar novamente. Depois de ouvir a conversa de Rogers com Barnes sobre seu desejo de ajudar na guerra, o Dr. Abraham Erskine permite que Rogers se aliste. Ele foi recrutado como parte de um experimento de "super soldado" sob a direção do coronel Chester Phillips, Dr. Erskine e da agente britânica Peggy Carter. O coronel Phillips não está convencido de que Rogers seja a pessoa certa para o procedimento devido ao físico do menino, mas ele reconhece seu caráter e bravura. Dr. Erskine então diz a Rogers que ele foi escolhido para o experimento e revela que Schmidt foi submetido a uma forma incompleta do procedimento, causando sérios danos a seu corpo.
Na Europa, Schmidt e seu cientista, Dr. Arnim Zola, conseguem aproveitar as energias do tesserato, pretendendo usar seu poder para viabilizar as invenções de Zola, especialmente suas armas. Enquanto isso, Schmidt descobre a localização de Erskine e envia um assassino para matá-lo. Nos Estados Unidos, o brilhante Howard Stark, Dr. Erskine, submete-se ao procedimento de Rogers, injetando-lhe um soro especial e saturando-o com um "raio". Rogers emerge de procedimentos maiores e mais musculares, provando que o experimento de Erskine foi um sucesso, mas logo depois, um agente disfarçado que ajudou nos procedimentos com os militares, Heinz Kruger (Richard Armitage), mata Erskine, destrói a maior parte do sérum. , e foge com um frasco, revelando-se o assassino de Schmidt. Rogers o persegue e consegue capturar Kruger, mas o assassino comete suicídio por meio de uma cápsula de cianeto antes de ser interrogado.
Com Erskine morto e a fórmula do super soldado perdida, Rogers se torna tudo o que resta da experiência, mas o coronel Phillips se recusa a levá-lo para a guerra. Em seguida, o senador Brandt (Michael Brandon) oferece a Rogers um emprego e pede a ele para assumir o papel de Capitão América para anunciar o vínculo de guerra. O personagem de Rogers se torna um sucesso e viaja por todo o país, fazendo aparições públicas e até gravando programas de televisão, até que durante uma turnê para militares na Itália, Rogers descobre que a unidade de seu amigo Barnes ele perdeu na batalha contra as forças de Schmidt e que Barnes desapareceu. Recusando-se a acreditar que Barnes está morto, Rogers decide ir para a base para onde os prisioneiros foram levados e conta com a ajuda do Agente Carter, que convoca Howard Stark para trazer Rogers para a base. Rogers se infiltra sozinho na organização Hydra Stronghold de Schmidt, liberta Barnes e os outros soldados capturados e confronta Schmidt, que revela que seu rosto é uma máscara. Ao fazer isso, ele mostra seu rosto vermelho, semelhante a uma caveira, como resultado do procedimento incorreto que tomou ao ingerir o soro Erskine, tornando-se conhecido como Caveira Vermelha. Schmidt escapa e destrói sua própria base enquanto Rogers tenta escapar com os outros soldados. Dias depois, quando o coronel Phillips está prestes a declarar Rogers morto em combate, ele chega à base aliada com Barnes e mais de 100 soldados libertos.
Agora, com o apoio de Phillips, Rogers recruta Barnes, Dum Dum Dugan, Gabe Jones, Jim Morita, James Montgomery Falsworth e Jacques Last, formando uma equipe conhecida como Comando Selvagem, cuja missão era atacar outras bases conhecidas por Hydra. Stark está desenvolvendo uma nova roupa para Rogers com equipamentos de última geração, em particular um escudo circular feito de Vibranium, um metal muito raro e quase indestrutível. Rogers e sua equipe conseguiram destruir várias bases Hydra, forçando Schmidt a recuar. Um dia, a equipe invadiu um trem nos Alpes onde Zola estava. Zola é capturado, mas Barnes cai do trem, onde ele cai de um penhasco e aparentemente morre. Usando informações coletadas de Zola, a última fortaleza de Hydra é localizada e Rogers lidera um ataque à base. Eles conseguem tomar a base, mas Schmidt consegue embarcar em um avião cheio de bombas com destino às principais cidades americanas. Com a ajuda de Carter e Phillips, Rogers embarca no avião de Schmidt e eles entram em combate. Durante a luta, o recipiente com o tesserato é danificado e, ao ser tocado, Schmidt se dissolve sob uma luz branca. O objeto cai, passa pela estrutura do avião e cai na Terra. Rogers assume o controle do avião, mas embora possa contatar Peggy por rádio, ele não consegue descobrir como evitar que as bombas cheguem ao seu destino. Em seguida, ele se sacrifica abatendo o avião no meio do Ártico. Algum tempo depois, Stark consegue recuperar o tesseract do fundo do oceano e continua a procurar Rogers e o avião.
Rogers acorda em um quarto de hospital aparentemente ambientado na década de 1940. Ele deduz que algo está errado em um jogo de beisebol no rádio, que ele admite ter ouvido antes. Rogers então escapa da cena falsa, atravessa os corredores de um edifício moderno e, finalmente, chega à rua, que acaba sendo a atual Times Square. Acompanhado de vários carros e seguranças, chega Nick Fury, que relata estar congelado há 70 anos. Rogers só lamenta ter perdido seu encontro com Peggy.
Em uma cena pós-créditos, Fury se aproxima de Rogers e oferece a ele uma missão com ramificações mundiais: a Iniciativa Vingadores.
