史蒂夫·罗杰斯（克里斯·埃文斯 饰）逐渐适应了现代生活，但在一次行动中，他察觉到神盾局内部隐藏的危险。当他得知神盾局正在秘密进行“洞察计划”后，愤怒之情油然而生。某天，神盾局指挥官尼克·法瑞（塞缪尔·杰克逊 饰）遭到武装分子袭击，在危急时刻将藏有重大秘密的U盘交给了美国队长。然而，这让史蒂夫成为了前局长亚历山大·皮尔斯（罗伯特·雷德福 饰）的头号目标。在黑寡妇（斯嘉丽·约翰逊 饰）和退伍老兵“猎鹰”（安东尼·麦凯 饰）的帮助下，美国队长必须在逃亡中解开神盾局的阴谋，阻止“洞察计划”的实施。