Film Doctor Strange dari Marvel Studios membawa penonton ke dalam dunia mistis yang tersembunyi di balik realitas yang kita kenal. Kisah ini bermula di Kathmandu, Nepal, di sebuah tempat rahasia bernama Kamar-Taj. Di sana, seorang penyihir jahat bernama Kaecilius dan para pengikutnya menyerang dan mencuri halaman-halaman penting dari sebuah kitab kuno. Kitab ini milik Ancient One, seorang penyihir agung yang telah melatih banyak murid, termasuk Kaecilius, dalam seni mistik. Ancient One berusaha menghentikan Kaecilius, namun ia berhasil melarikan diri.
Perpindahan latar kemudian terjadi ke New York City, memperkenalkan Dr. Stephen Strange, seorang ahli bedah saraf yang kaya, terkenal, namun sangat arogan. Kehidupannya yang gemilang tiba-tiba berubah drastis ketika ia mengalami kecelakaan mobil parah dalam perjalanan menuju sebuah konferensi. Kecelakaan itu menyebabkan kerusakan permanen pada tangannya, mengakhiri kariernya sebagai seorang ahli bedah. Rekan sesama dokternya, Christine Palmer, mencoba membantunya untuk menerima kenyataan, namun Strange menolak dan malah terobsesi mencari cara untuk menyembuhkan tangannya melalui berbagai operasi eksperimental yang sia-sia.
Dalam keputusasaannya, Strange mendengar tentang Jonathan Pangborn, seorang pria lumpuh yang secara misterius bisa berjalan kembali. Pangborn menceritakan tentang Kamar-Taj dan menyarankan Strange untuk mencarinya. Strange pun melakukan perjalanan ke Nepal dan akhirnya bertemu dengan Mordo, seorang penyihir yang merupakan murid dari Ancient One. Mordo membawa Strange kepada Ancient One. Ancient One memperlihatkan kekuatan mistisnya kepada Strange, membukakan matanya pada dunia astral dan dimensi-dimensi lain, termasuk Mirror Dimension. Meskipun awalnya ragu karena kesombongan dan ambisi Strange yang mengingatkannya pada Kaecilius, Ancient One akhirnya setuju untuk melatihnya.
Di Kamar-Taj, Strange belajar di bawah bimbingan Ancient One dan Mordo. Ia juga mendalami teks-teks kuno di perpustakaan yang dijaga oleh Master Wong. Strange mengetahui bahwa Bumi dilindungi dari ancaman dimensi lain oleh perisai mistis yang dipancarkan dari tiga Sanctum yang terletak di New York City, London, dan Hong Kong. Ketiga Sanctum ini terhubung langsung ke Kamar-Taj. Tugas para penyihir adalah melindungi Sanctum-Sanctum tersebut. Strange belajar dengan cepat dan diam-diam membaca kitab yang halaman-halamannya dicuri oleh Kaecilius. Dari sana, ia mempelajari cara memanipulasi waktu dengan menggunakan Eye of Agamotto, sebuah artefak kuno. Mordo dan Wong memperingatkan Strange agar tidak melanggar hukum alam, mengingatkannya pada obsesi Kaecilius terhadap kehidupan abadi.
Kaecilius, dengan halaman-halaman curian itu, menghubungi Dormammu, penguasa Dark Dimension, sebuah dimensi di mana waktu tidak ada. Ia menghancurkan Sanctum di London untuk melemahkan perlindungan Bumi. Kelompok Kaecilius kemudian menyerang Sanctum di New York, membunuh penjaganya. Strange berhasil menahan mereka dengan bantuan Cloak of Levitation, jubah sakti yang memilih Strange sebagai pemiliknya, namun ia terluka parah dalam pertempuran. Ia berteleportasi kembali ke rumah sakit dan diselamatkan oleh Palmer.
Kembali ke Sanctum, Strange mengungkapkan kepada Mordo bahwa Ancient One telah menarik kekuatan dari Dark Dimension untuk memperpanjang umurnya. Mordo merasa kecewa dan kehilangan kepercayaan pada Ancient One. Pertempuran sengit terjadi di Mirror Dimension New York. Kaecilius berhasil melukai Ancient One secara fatal dan melarikan diri ke Hong Kong. Sebelum meninggal, Ancient One berpesan kepada Strange bahwa ia dan Mordo harus bekerja sama untuk mengalahkan Kaecilius, menyeimbangkan sifat teguh Mordo dengan kemampuan Strange untuk melanggar aturan.
Strange dan Mordo tiba di Hong Kong dan menemukan Wong tewas, Sanctum hancur, dan Dark Dimension mulai menelan Bumi. Strange menggunakan Eye of Agamotto untuk memutar balik waktu, menyelamatkan Wong dan memperbaiki kerusakan. Kemudian, Strange memasuki Dark Dimension dan menciptakan lingkaran waktu tak berujung yang menjebak dirinya dan Dormammu. Dormammu, yang terus menerus membunuh Strange namun selalu kembali hidup karena lingkaran waktu, akhirnya menyerah dan menerima tawaran Strange: pergi dari Bumi selamanya dan membawa Kaecilius serta para pengikutnya, sebagai ganti Strange mengakhiri lingkaran waktu tersebut.
Mordo, merasa jijik dengan tindakan Strange dan Ancient One yang dianggapnya melanggar hukum alam, memutuskan untuk meninggalkan dunia penyihir. Strange mengembalikan Eye of Agamotto, yang ternyata merupakan salah satu Infinity Stone, ke Kamar-Taj dan menetap di Sanctum New York untuk melanjutkan studinya bersama Wong. Dalam adegan mid-credit, Strange setuju untuk membantu Thor yang datang ke Bumi bersama Loki untuk mencari ayah mereka, Odin. Dalam adegan post-credit, Mordo menghadapi Pangborn dan mencuri energi mistisnya, mengatakan bahwa Bumi memiliki “terlalu banyak penyihir”.
