Film, Carol Danvers'ın Captain Marvel'a dönüşümünden değil, Carol Danvers'ın Captain Marvel olarak dünyaya düşüşünden ilerliyor. Süper güçlere sahip, güzel bir kadın olarak dünyaya düşen Carol Danvers, gezegeni keşfettikçe kimi görüntüler hatırlamaya başlar. Geçmişte gezegenimizde yaşadığını ve burada bir hayatı olduğunu hatırlamaya başlayan genç kadının güvenebileceği tek kişi ise SHIELD çalışanı Nick Fury'dir.
Geçmişini keşfettikçe kendine dair bilmediği yeni detayları keşfeden süper kahraman, bir yandan da şekil değiştiren düşmanları Skrull ırkı ile onu ölümden kurtararak kendileri gibi güçlü yapan erdemli Kree ırkı arasındaki savaşta önemli bir rol oynamaktadır. İki ırkın Dünya gezegeni üzerindeki savaşında bir taraf seçmek zorunda kalan Carol, bir süper kahraman olmanın gerçek anlamını keşfedecektir...