Film Captain Marvel membawa penonton kembali ke tahun 1995, memperkenalkan Vers, seorang anggota pasukan elit Kree bernama Starforce. Vers hidup di planet Hala, ibu kota Kekaisaran Kree, namun ia dihantui amnesia dan mimpi buruk berulang tentang seorang wanita tua. Mentor sekaligus komandannya, Yon-Rogg, melatih Vers untuk mengendalikan kekuatan luar biasanya, sementara Kecerdasan Tertinggi—AI yang memerintah Kree—mendesaknya untuk menekan emosinya.
Misi penyelamatan seorang agen rahasia yang menyusup ke kelompok Skrull, ras alien shapeshifter yang bermusuhan dengan Kree, berakhir dengan penangkapan Vers oleh komandan Skrull, Talos. Pemeriksaan memori Vers membawa Skrull ke Bumi. Vers berhasil melarikan diri dan jatuh di Los Angeles. Kehadirannya menarik perhatian agen S.H.I.E.L.D., Nick Fury dan Phil Coulson. Investigasi mereka terganggu oleh serangan Skrull. Dalam pengejaran yang terjadi, Vers berhasil mendapatkan kembali kristal memori yang diekstraksi, sementara Fury membunuh seorang Skrull yang menyamar sebagai Coulson.
Talos, menyamar sebagai atasan Fury, Keller, memerintahkan Fury untuk bekerja sama dengan Vers dan mengawasinya. Menggunakan memori yang dipulihkan, Vers dan Fury menuju instalasi Project Pegasus di pangkalan Angkatan Udara AS. Di sana, mereka mengetahui bahwa Vers sebenarnya adalah seorang pilot yang dianggap tewas pada tahun 1989 saat menguji mesin berkecepatan cahaya eksperimental yang dirancang oleh Dr. Wendy Lawson. Vers mengenali Lawson sebagai wanita dalam mimpi buruknya. Fury memberi tahu S.H.I.E.L.D. tentang lokasi mereka, dan sebuah tim tiba. Fury menyadari bahwa Keller adalah Talos dan membantu Vers melarikan diri dengan jet bersama kucing peliharaan Lawson, Goose, yang ternyata adalah penumpang gelap.
Mereka terbang ke Louisiana untuk menemui Maria Rambeau, pilot yang terakhir kali melihat Vers dan Lawson hidup. Rambeau dan putrinya Monica mengungkapkan bahwa Vers adalah Carol Danvers, yang dulu sudah seperti keluarga bagi mereka. Talos, yang datang tanpa senjata, menjelaskan bahwa Skrull adalah pengungsi yang mencari rumah baru dan Lawson adalah Mar-Vell, ilmuwan Kree pemberontak yang membantu mereka. Talos memutar rekaman kotak hitam dari jet Lawson, yang memicu ingatan Danvers tentang kecelakaan itu: Yon-Rogg membunuh Mar-Vell untuk mencegahnya menghancurkan mesin sebelum Kree dapat merebutnya. Danvers menghancurkan mesin itu sendiri, menyerap energi dari ledakan tersebut, memperoleh kekuatan super tetapi kehilangan ingatannya.
Danvers, Talos, Fury, dan Rambeau menemukan laboratorium tersembunyi Lawson yang mengorbit Bumi. Di sana, Lawson menyembunyikan beberapa Skrull, termasuk keluarga Talos, dan Tesseract, sumber energi mesin Lawson. Di laboratorium itu, Danvers ditangkap oleh Starforce dan berinteraksi dengan Kecerdasan Tertinggi. Dalam interaksi tersebut, Danvers melepaskan implan Kree yang menekan kekuatannya. Kekuatan penuhnya akhirnya bangkit. Dalam pertempuran berikutnya, Fury mengambil Goose, yang ternyata adalah alien Flerken. Goose menelan Tesseract dan mencakar mata kiri Fury, membuatnya buta sebelah. Danvers menghancurkan pesawat pengebom Kree, memaksa perwira Kree Ronan the Accuser dan pasukannya untuk mundur.
Danvers mengalahkan Yon-Rogg dan mengirimnya kembali ke Hala dengan pesan peringatan untuk Kecerdasan Tertinggi. Ia kemudian pergi untuk membantu Skrull mencari rumah baru, meninggalkan Fury pager termodifikasi untuk menghubungi dirinya dalam keadaan darurat. Fury menyusun sebuah inisiatif untuk mencari pahlawan seperti Danvers, menamainya sesuai dengan call sign Angkatan Udara Danvers, “Avenger”. Dalam adegan mid-credit yang berlatar tahun 2018, pager aktif tersebut diawasi oleh Avengers ketika Danvers muncul mencari Fury. Dalam adegan post-credit, Goose naik ke meja Fury dan memuntahkan Tesseract.
