1995, auf dem Hauptplaneten des Kree Empire, Hala, leidet der Krieger und Starforce-Mitglied Vers unter immer wiederkehrenden Albträumen von einer älteren Frau. Yon-Rogg, ihr Mentor und Kommandant, warnt sie, ihre Fähigkeiten zu kontrollieren, während die Supreme Intelligenz, eine organische künstliche Intelligenz, die als Herrscherin über den Kree fungiert, sie auffordert, ihre Emotionen in Schach zu halten.

Während er mit dem offiziellen Ronan the Accuser zusammenarbeitet, um einen Undercover-Spion zu retten, wird Vers von einer Gruppe von Skrulls, außerirdischen Gestaltwandlern, mit denen das Kree Imperium im Krieg ist, entführt und einer Gedächtnissonde ausgesetzt. Vers entkommt und, nachdem sie das Schiff der Skrulls in einer Fluchtkapsel verlassen hat, hatte sie eine Bruchlandung auf der Erde. Ihre Anwesenheit zieht die Aufmerksamkeit ders S.H.I.E.L.D.-Agenten Nick Fury und Phil Coulson auf sich, deren Untersuchung durch einen Skrull-Angriff unterbrochen wird. In der anschließenden Verfolgungsjagd erlangt Vers einen Kristall mit ihren Erinnerungen und Fury tötet einen Skrull, der sich als Coulson ausgibt. Fury trifft sich später mit ihr und stimmt zu, mit Vers zu arbeiten, während Skrull-Kommandant Talos sich als S.H.I.E.L.D.-Agent Keller tarnt.

Vers erfährt, dass sie eine Pilotin war, die vermutlich sechs Jahre zuvor gestorben ist, als sie eine experimentelle Lichtgeschwindigkeitsmaschine testete, die von der Wissenschaftlerin Wendy Lawson entworfen wurde, die sie als die Frau aus ihren Alpträumen erkennt. Die beiden entkommen, nachdem “Keller” sie konfrontiert hat, mit Lawsons Katze Goose und steuern ein kleines Frachtflugzeug nach Louisiana. Ein Treffen mit der Felllow-Pilotin Maria Rambeau und ihrer kleinen Tochter Monica zeigt, dass Vers’ richtiger Name Carol Danvers ist.

Talos, der sie verfolgt hatte, kommt an und bittet um das Wort. Mit dem Blackbox-Recorder von Lawsons abgestürztem Flugzeug erfährt Danvers, dass ein außerirdisches Raumschiff es abgeschossen hat – und erinnert sich nun an Yon-Rogg, der Lawson getötet hat, sowie an Lawsons Warnung, dass der Energiekern des Versuchsmotors zerstört werden musste, um ihn vor den falschen Händen zu bewahren. Vers schoss es und geriet in eine anschließende Explosion, wobei ihr Körper die Energie aufnahm. Yon-Rogg brachte den Amnesiak “Vers” – den restlichen Teil von “Danvers” auf ihrem kaputten Hundemarke – zu Hala.

Talos erklärt, dass die Skrulls einfach Flüchtlinge sind, und Lawsons Motor sollte ihnen helfen, außerhalb der Reichweite von Kree zu entkommen. Unter Verwendung der Koordinaten, die Lawson Danvers gegeben hatte, fliegt sie zusammen mit Fury, Monica und Goose – die aus irgendeinem Grund Talos erschrecken – in ihrem Skrull-modifizierten Frachtflugzeug zu einem getarnten Schiff im Orbit. Dort finden sie die Quelle der Macht des Energiekerns, den Tesserakt – und einige Skrull-Flüchtlinge, darunter Talos’ Gefährte und Kind. Yon-Roggs Starforce, die sie verfolgt hat, nimmt Danvers gefangen und platziert sie in VR vor der Supreme Intelligence. Wütend über die Verwendung, wehrt sich Danvers und entdeckt, dass ein Kree Implantat, das ihr angeblich Kräfte gab, sie stattdessen einschränkte.

Danvers entkommt, gibt den Tesserakt Fury zur Aufbewahrung und kämpft gegen die Sternenstreitkräfte, um Rambeau Zeit zu geben, sich selbst, Fury und die Skrullen zur Erde zu fliegen – zusammen mit Gans, die keine Katze ist, sondern ein Außerirdischer, bekannt als Flerken, der mächtige Tentakel sprießen kann und dessen Inneres eine Taschendimension ist, in der der Tesserakt platziert ist. Rambeau schießt eine verfolgte Minn-Erva ab. Danvers jagt einen flüchtenden Yon-Rogg und entdeckt das Ausmaß ihrer Kräfte, einschließlich der Flucht. Sie zerstört einhändig mehrere ballistische Raketen, die Ronan, genannt von Yon-Rogg, auf die Erde geschossen hat, und zwingt Ronans Streitkräfte zum Rückzug. Auf der Erde besiegt Danvers schnell Yon-Rogg und schickt ihn mit einer Warnung an den Höchsten Geheimdienst zurück nach Hala.

Danvers stimmt zu, den Skrulls zu helfen, eine neue Heimatwelt zu finden, und gibt Fury einen modifizierten Pager, mit dem sie im Notfall kontaktiert werden kann. Fury entwirft später einen Vorschlag für eine Initiative und ändert den Namen, nachdem er ein Foto mit Danvers’ altem Rufzeichen von “Avenger” gefunden hat.

In einer aktuellen Mittags-Credits-Szene trifft Danvers Avengers Steve Rogers, Natasha Romanoff, Bruce Banner und James Rhodes, die den von Fury aktivierten Pager überwachten. In einer Rückblende des Endkredits hustet Goose den Tesserakt aus.