१९९५ में, क्री साम्राज्य की राजधानी - हाला ग्रह पर, स्टारफाॅर्स की सदस्य वियर्स को भूलने की बीमारी है और उसे अक्सर एक वयस्क महिला से सम्बंधित बुरे सपने आते हैं। योन-रॉग, उसका संरक्षक और कमांडर, उसे अपनी क्षमताओं को नियंत्रित करने के लिए प्रशिक्षित करता है, जबकि महाशक्ति नामक कृत्रिम बुद्धिमत्ता, जो क्री पर शासन करती है, वियर्स को उसकी भावनाओं को नियंत्रण में रखने का आग्रह करती है।

एक अंडरकवर ऑपरेटिव को स्क्रल नामक रूप बदलने वाले विदेशी जीवों के एक समूह से बचाने के लिए एक मिशन के दौरान वियर्स को स्क्रल कमांडर टैलोस गिरफ्तार कर लेता है, और पृथ्वी की ओर जा रहे अपने जहाज में उसे भी डालकर उसकी स्मृतियों की जांच करने लगता है। वियर्स वहां से बचकर भाग निकलती है, और उसका जहाज लॉस एंजिल्स में दुर्घटनाग्रस्त होकर गिर जाता है। शील्ड एजेंट निक फ्यूरी और फिल कूलसन वियर्स से पूछ्ताछ करने आते हैं, लेकिन उनकी पूछताछ एक स्क्रल हमले के कारण बाधित हो जाती है। आगामी घटनाक्रम में, वियर्स अपनी पुराणी यादों से युक्त एक क्रिस्टल को फिर से प्राप्त करती है, जबकि फ्यूरी कूलसन का रूप लेकर उसके साथ चल रहे एक स्क्रल को मार डालता है। टैलोस, जो शील्ड निर्देशक केलर का रूप अपना कर आया होता है, फ्यूरी को वियर्स के साथ काम करने, और उस पर नजर रखने का आदेश देता है।

क्रिस्टल में संरक्षित उसकी यादों का उपयोग कर वियर्स फ्यूरी के साथ यूएस एयरफोर्स बेस में प्रोजेक्ट पेगासस इंस्टालेशन में जाते हैं, जहां उन्हें पता चलता है कि वियर्स वास्तव में एक पायलट थी, जिसे कि डॉ॰ वेंडी लॉसन द्वारा निर्मित प्रायोगिक जेट इंजन का परीक्षण करते समय १९८९ में हुई एक दुर्घटना में मृत मान लिया गया था। वियर्स लॉसन को उसके बुरे सपनों में आने वाली महिला के रूप में पहचानती है। इसी समय, केलर का रूप लेकर आये टैलोस की अगुवाई में शील्ड एजेंटों की एक टीम उन्हें पकड़ने की कोशिश करती है, लेकिन वे लॉसन की बिल्ली गूस के साथ एक कार्गो जेट में भाग निकलते हैं, और पूर्व पायलट मारिया रैम्बो से मिलने के लिए लुईज़ियाना की ओर निकल जाते हैं, जो कि वियर्स और लॉसन को जीवित देखने वाली अंतिम व्यक्ति है।

रैम्बो और उसकी बेटी मोनिका से मिलने पर वियर्स को पता चलता है, कि रैम्बो उसकी सहकर्मी तथा करीबी मित्र थी, और उसका वास्तविक नाम कैरल डैनवर्स है। टैलोस भी वहां आता है, और उसे बताता है कि स्क्रल वास्तव में शरणार्थी हैं, जो एक नए घर की तलाश कर रहे हैं और लॉसन मार-वेल नामक एक क्री वैज्ञानिक थी, जो इस काम में उनकी सहायता कर रही थी। इसके बाद वह लॉसन के जेट से बरामद ब्लैक बॉक्स की रिकॉर्डिंग चलाता है, जिससे डैनवर्स को दुर्घटना के समय की चीज़ें याद आ जाती हैं - लॉसन ने क्री के लोगों से दूर रखने के लिए इंजन के ऊर्जा-कोर को नष्ट करने का प्रयास किया था, लेकिन इससे पहले कि वह ऐसा कर पाती, योन-रॉग ने उन्हें मार दिया था। इसके बाद कैरल ने इंजन को स्वयं नष्ट करते हुए, इसके विस्फोट से उपजी ऊर्जा को अवशोषित किया, जिससे उसे कई शक्तियां मिलीं, लेकिन उसकी याददाश्त खो गई।

डैनवर्स, टैलोस, फ्यूरी और रैम्बो धरती के चारों ओर घूम रही लॉसन की छिपी हुई लैबोरेटरी का पता लगाते हैं, जहां लॉसन ने ऊर्जा-कोर के शक्ति स्रोत - टेसेरैक्ट और टैलोस के परिवार सहित कई स्क्रलों को छुपाया था। स्टारफाॅर्स भी वहां आ पहुँचते हैं, और डैनवर्स को पकड़ लेते हैं, जिसके बाद उसका सामना महाशक्ति के साथ होता है। अपनी बातचीत के दौरान, डैनवर्स उस क्री इंप्लांट को हटा देती है, जो अब तक उसकी शक्तियों को दबा रहा था। बाद की लड़ाई में, फ़्यूरी गूस को पुनः प्राप्त करता है, जो एक एलियन फ्लरकेन के रूप में प्रकट होता है, और वह फ्यूरी की बाईं आंख पर पंजा मारने से पहले टेसेरैक्ट को निगल जाता है। इसके बाद डैनवर्स एक क्री बॉम्बर को नष्ट कर देती है, जिस कारण क्री अधिकारी रोनन द अक्यूज़र और उसकी स्क्वाड्रन को पीछे हटने के लिए मजबूर होना पड़ता है, और फिर पृथ्वी पर योन-रॉग को पराजित कर उसे महाशक्ति के लिए एक चेतावनी के साथ हाला वापस भेज देती है।

डैनवर्स स्क्रल लोगों के लिए एक नयी दुनिया को खोजने में मदद करने के लिए प्रस्थान करती है, और फ्यूरी को एक आपात स्थिति में संपर्क करने के लिए एक संशोधित पेजर देती है। इस बीच, फ्यूरी डैनवर्स जैसे अन्य नायकों का पता लगाने की एक पहल का मसौदा तैयार करता है, जिसका नाम वह डैनवर्स के वायु सेना के कॉल साइन, "अवेंजर" के नाम पर रखता है।

वर्तमान समय में सेट एक मध्य-क्रेडिट दृश्य में, स्टीव रॉजर्स, नताशा रोमनॉफ, ब्रूस बैनर और जेम्स रोड्स उस पेजर की पड़ताल कर रहे होते हैं, जिसे फ्यूरी ने अपने विघटन से पहले सक्रिय कर दिया था, कि तभी डैनवर्स वहां आ पहुँचती है, और उनसे फ्यूरी के बारे में पूछती है। १९९५ में सेट एक पोस्ट-क्रेडिट दृश्य में, गूस फ्यूरी के डेस्क पर चढ़ती है, और टेसेरैक्ट को वापस बाहर उगल देती है।

इसके अतिरिक्त, अल्जेनिस पेरेज़ सोटो और रूने टेम्प क्रमश: एट-लस और ब्रोन-चार - स्टारफाॅर्स के सदस्यों के रूप में दिखे; एट-लस समूह का निशानेबाज़ है, जबकि ब्रोन-चार "बड़ा, मजबूत योद्धा है जो अपने हाथों से लड़ता है"। मारिया की बेटी, मोनिका रैम्बो भी फ़िल्म में दिखाई देती है, जिसे अकीरा अकबर ने ग्यारह साल की उम्र में जबकि अज़ारी अकबर ने पाँच साल की उम्र में निभाया। रॉबर्ट कज़िंस्की भी "द डॉन" उपनाम वाले बाइकर के रूप में दिखाई देते हैं। विक सहाय एक टॉरफैन की भूमिका निभाते हैं। चोकू मोदू ने सोह-लार का चित्रण किया। कॉलिन फोर्ड डैनवर्स के भाई, स्टीव के रूप में दिखाई देते हैं जबकि केनेथ मिशेल उनके पिता की भूमिका में हैं। डैनवर्स की कॉमिक बुक बिल्ली चेवी (स्टार वार्स चरित्र चेवबक्का पर नामित) फिल्म में दिखाई देती है, जिसका नाम बदलकर द टॉप गन (१९८६) के चरित्र निक "गूज" ब्रैडशॉ के नाम पर गूस रखा गया, और इसे चार अलग-अलग बिल्लियों द्वारा चित्रित किया गया है - रेगी, आर्ची, रिज़ो और गोंजो। प्रत्येक बिल्ली को उनके कार्यों और व्यक्तित्व के आधार पर चुना गया था।

पात्र
कथानक
विकास
निर्माण