Abertura: Pesadelos e Treinamento em Hala
O filme começa no planeta Hala, capital do Império Kree. Conhecemos Vers (Brie Larson), uma guerreira da unidade de elite Starforce, comandada por Yon-Rogg (Jude Law). Apesar de ser poderosa, Vers sofre com sonhos estranhos e fragmentados, nos quais aparece uma mulher misteriosa em uma nave terrestre.
Logo vemos seu treinamento: Yon-Rogg insiste que ela deve controlar suas emoções, pois é de sua disciplina que vem a força. Vers possui um poder raro — ela consegue disparar rajadas de energia com as mãos — mas ainda não entende totalmente a origem de suas habilidades.
A Missão Contra os Skrulls
Vers e a Starforce recebem a missão de resgatar um informante em um planeta em guerra. Lá, eles enfrentam os Skrulls, raça alienígena que pode mudar de forma, considerada inimiga mortal dos Kree.
Durante o confronto, Vers é capturada pelos Skrulls, liderados por Talos (Ben Mendelsohn). Presa a uma máquina de memórias, eles exploram seu subconsciente e descobrem imagens da mulher misteriosa, que se revela uma cientista da Terra chamada Dra. Wendy Lawson (Annette Bening).
Vers consegue escapar da nave dos Skrulls e, em plena fuga, acaba caindo no planeta Terra, mais precisamente em 1995, atravessando o teto de uma locadora da Blockbuster.
Primeiros Contatos na Terra
A chegada de Vers chama a atenção da S.H.I.E.L.D.. O agente Nick Fury (Samuel L. Jackson), ainda jovem e com os dois olhos, e o agente Phil Coulson (Clark Gregg) investigam o incidente. Fury cruza o caminho de Vers e, no início, duvida de sua história de alienígenas e metamorfos.
Mas logo ele mesmo testemunha os Skrulls em ação, mudando de forma para se disfarçar de humanos. Isso o convence de que a guerreira está dizendo a verdade. Vers e Fury então se unem para tentar descobrir o que os Skrulls estão procurando na Terra.
As Memórias de Carol Danvers
Seguindo pistas, Vers investiga arquivos militares e descobre conexões com a Dra. Wendy Lawson, que trabalhava em um projeto secreto para a Força Aérea dos EUA. Fury a ajuda a acessar informações confidenciais e, aos poucos, Vers começa a lembrar de fragmentos de sua vida anterior.
Eles visitam a base aérea de onde Lawson trabalhava e encontram a amiga de Lawson e antiga companheira de voo de Vers: Maria Rambeau (Lashana Lynch). É então que a grande revelação acontece: Vers não é apenas uma guerreira Kree, mas sim uma humana chamada Carol Danvers, desaparecida anos atrás após um acidente de avião.
Maria, junto de sua filha Monica Rambeau, ajuda Carol a lembrar sua verdadeira identidade e seu passado como piloto de testes.
A Verdade Sobre Lawson e o Projeto Pegasus
Aos poucos, Carol descobre que Wendy Lawson era, na verdade, uma Kree renegada chamada Mar-Vell, que trabalhava secretamente para ajudar os Skrulls a fugir da perseguição do Império Kree. Lawson desenvolvia uma tecnologia de motor de velocidade da luz, capaz de transportar refugiados para longe do alcance dos Kree.
O acidente que deu poderes a Carol ocorreu quando ela destruiu o núcleo da nave experimental de Lawson. A explosão liberou energia do Tesseract (a Joia do Infinito do Espaço), que foi absorvida por Carol, tornando-a incrivelmente poderosa. Lawson morreu no acidente, mas Carol sobreviveu, embora tenha perdido parte da memória.
A Reviravolta: Os Skrulls Não São os Vilões
Talos, o líder Skrull, captura Carol e revela a verdadeira motivação de sua raça: eles não são conquistadores, mas refugiados em fuga, caçados implacavelmente pelo Império Kree. Ele mostra gravações da Dra. Lawson para provar suas intenções pacíficas e pede ajuda a Carol para salvar sua família e os demais refugiados escondidos em órbita da Terra.
Essa revelação muda completamente a visão de Carol: seus supostos inimigos eram vítimas, e seus aliados Kree eram, na verdade, os verdadeiros opressores.
A Batalha Final em Órbita
Carol, agora totalmente consciente de sua identidade como humana e de seus poderes, decide enfrentar Yon-Rogg e a frota Kree. Ao lado de Fury, Maria Rambeau e Talos, ela vai até a nave laboratório de Lawson. Lá, encontram refugiados Skrulls escondidos — entre eles a família de Talos.
Quando Yon-Rogg e a Inteligência Suprema Kree tentam controlar Carol, ela rompe os bloqueios impostos em sua mente e libera todo o seu poder, tornando-se a Capitã Marvel. Em uma cena épica, ela enfrenta sozinha a frota de naves Kree, destruindo caças, desviando mísseis e demonstrando a verdadeira extensão de sua força.
Enquanto isso, Maria pilota uma nave em combate e Fury protege o “gatinho” Goose, que na verdade é um alienígena da espécie Flerken. Goose engole o Tesseract para protegê-lo — e mais tarde arranha o olho de Fury, explicando a origem de sua famosa cicatriz.
O Confronto com Yon-Rogg
No clímax, Carol enfrenta Yon-Rogg no deserto. Ele tenta provocá-la para uma luta “justa”, sem uso de poderes, mas Carol o derrota com um único disparo de energia, recusando-se a jogar segundo as regras impostas por ele. Ela o poupa e o envia de volta a Hala com uma mensagem: dirá ao Império Kree que ela não será mais controlada.
O Legado da Capitã Marvel
Carol promete ajudar os Skrulls a encontrar um novo lar e se despede de Maria e Monica, que passam a admirá-la como heroína. Já Nick Fury, inspirado pela coragem de Carol, começa a conceber a ideia de formar uma equipe especial para proteger a Terra de ameaças cósmicas. Ele dá a esse projeto o nome de Iniciativa Vingadores, inspirado no codinome de piloto de Carol: Avenger.
A cena pós-créditos conecta a história diretamente a Vingadores: Ultimato, mostrando Carol chegando à Terra após o chamado de Fury, que havia usado o pager modificado pouco antes de desaparecer no estalar de dedos de Thanos.
