1995年，克里帝國星際部隊成員佛斯在首都哈拉星進行訓練，她困惑於被清除記憶而難以控制自身情緒及能量，所屬部隊指揮官楊羅格與克里AI統治者「至高智慧」因此不斷告誡教誨她。楊羅格的部隊受命前往邊境星球托法星，試圖尋找失蹤的克里人臥底，卻掉入敵對的史克魯爾人所設下的圈套。佛斯被史克魯爾人將軍塔洛斯擄走，楊羅格與其他成員被逼撤退。史克魯爾人在太空船內以記憶讀取裝置收集佛斯腦中的情報，使她回想起片段的零碎記憶。佛斯用超能力脫困成功並試圖逃離，最後她所乘的逃生艙被塔洛斯攻擊毀損，從太空墜至鄰近星球C-53（地球）。

佛斯在洛杉磯一家百視達外的電話亭中與楊羅格聯絡，明白到史克魯爾人試圖奪走地球人科學家羅森所發明的光速引擎以發動星際入侵，而且羅森的下落就在自己被清空的記憶裡，所以史克魯爾人才要特別抓捕她並帶到地球附近。佛斯不顧楊羅格下達的等候支援命令決定獨自行動，並遇見前來調查她的神盾局探員尼克‧福瑞和新人菲爾‧考森。儘管佛斯據實以告自己的身份，但她的說詞不被任何人所相信。可以易形模仿各種外貌的史克魯爾人在此時狙擊他們，雙方在一連串的追逐搏鬥後，兩名史克魯爾人現回原形死亡。

經歷這場變故的福瑞決定相信佛斯，併合作探索她腦海中的記憶與相關資訊，一路追尋到NASA及美國空軍所合作的秘密基地，在此被一隻名為呆頭鵝的橘貓纏著不放。在檔案庫裡，二人查到羅森和一名駕駛在六年前的試飛中墜機身亡，而最後接觸二人是空軍士兵瑪麗亞‧藍博，佛斯震驚的從相片中發現該名駕駛正是自己。佛斯再次聯絡楊羅格，瞭解到羅森是克里人派駐地球的科學家兼特務，真名為邁威爾。該試飛失敗是史克魯爾人試圖搶奪光速引擎的攻擊所致，邁威爾因此死亡，楊羅格趕來救了重傷的佛斯一命，她也因此從地球人變成了克里人。福瑞先前向神盾局請求的支援到達基地，但察覺上司凱勒是史克魯爾人所假冒，「凱勒」在被識破後向所有探員宣稱福瑞已叛變。福瑞和佛斯在考森探員的暗中放行下駕駛戰鬥機逃離，呆頭鵝也跟了上去。

佛斯與福瑞前往路易斯安那州與瑪麗亞見面，瑪麗亞與她的女兒莫妮卡幫助佛斯喚起記憶，原來佛斯過往是瑪麗亞的好友和同僚卡蘿‧丹佛斯，也都是羅森的下屬。脫下「凱勒」偽裝的塔洛斯與另一名史克魯爾人意外地現身，他們還帶來墜機事件的黑盒子揭露真相。事實是邁威爾早已背叛克里人與史克魯爾人合作，原因是克里人在這場戰爭中才是不公不義的一方，被迫害的史克魯爾人期望邁威爾的光速引擎能幫助他們逃離克里人。六年前的試飛失敗其實是發現邁威爾已叛變的楊羅格的攻擊所致，楊羅格還在地面殺死了邁威爾。雖然無法理解發生在自己眼前的外星人爭鬥，但為完成羅森的遺願阻止楊羅格取得其所發明的光速引擎，卡蘿摧毀它的同時意外的與其洩漏出的能量融合，藉此得到了超人的力量、能量投射和飛行的力量。楊羅格覬覦卡蘿未知的強大力量能成為克里帝國的武器，便洗去她在地球的記憶還向卡蘿輸了自己的血，使卡蘿成為地球－克里人的混血，又截取其姓氏「丹佛斯」取名為「佛斯」。

得知一切事實真相的卡蘿決定幫助塔洛斯取得光速引擎的科技，解析完塔洛斯提供的資訊而取得邁威爾的太空巡洋艦實驗室位置，並利用塔洛斯的科學家改裝戰鬥機成為太空船後，便與塔洛斯、福瑞、瑪麗亞及呆頭鵝一起前往。楊羅格總算抵達地球表面，從留守的史克魯爾人口中得知卡蘿已經回想起一切還找出了邁威爾實驗室的位置，立刻帶領星際部隊追趕她，並要求控訴者羅南支援，消滅已被史克魯爾人所滲入的星球C-53（地球）。

卡蘿的改裝太空船來到大氣層外抵達邁威爾的實驗室，塔洛斯在此與許多族人重聚，也取得了光速引擎的能量來源「宇宙魔方」。這時楊羅格方也到達實驗室，靠著武力優勢捉拿所有的人，並以卡蘿後頸上的能量抑制裝備制服她，交予「至高智慧」處理。在意識次元中，卡蘿的堅強意志成功反抗「至高智慧」的攻擊，更以此摧毀在肉體上的抑制裝置，在意識回到現實後用能量擊倒了身邊的楊羅格與克里部隊搶回了「宇宙魔方」。卡蘿假意將「宇宙魔方」帶在身上引誘楊羅格等人追捕，「宇宙魔方」則交予福瑞分頭帶走。後來「宇宙魔方」被實際上是外星生物「弗萊肯」的呆頭鵝吞進肚子裡，福瑞還一個不注意被牠抓瞎了左眼。

撤退過程中，楊羅格乘搭的太空船被超能力從抑制裝置中解放而在太空中獨身飛行的卡蘿擊落，瑪麗亞駕駛改裝太空船消滅了追擊其他人的克里太空船。此時，控訴者羅南與其艦隊抵達地球上空，並向地球發射大量導彈。卡蘿見狀飛到太空，擊落所有導彈還展開大肆破壞。眼見眾多導彈及戰艦瞬間被卡蘿摧毀殆盡，莫可奈何的羅南在卡蘿放其一條生路的情況下灰溜溜地撤退。卡蘿回到地表後再用超能力把楊羅格修理的灰頭土臉，隨後將他塞入逃生艙送回哈拉星，並要楊羅格轉達「至高智慧」，她將會為這場戰爭帶來終結。

在臨別前，卡蘿將自己改良過的呼叫器交給福瑞，囑付只限在緊急狀況時呼叫，吞下「宇宙魔方」的呆頭鵝則住在福瑞的辦公室就近監視。卡蘿在與瑪麗亞、莫妮卡道別後飛向太空，與塔洛斯和史克魯爾人共同出發，為他們尋找不受克里人發現的新家園。在地球上，考森在福瑞草擬「保護者」方案時為他帶來一盒的假眼珠，二人討論如何保護地球並解決未知的未來威脅，而福瑞指卡蘿身處宇宙另一方，因此需要尋找其他英雄。菲爾離開後，尼克看見卡蘿的在空軍服役時的相片，決定以她搭乘的座機名字「復仇者」來改名草擬中的英雄集結計畫。而呆頭鵝則在福瑞的辦公桌上吐出宇宙魔方。

24年以後，在薩諾斯「平衡」之中存活的史蒂芬‧羅傑斯、娜塔莎‧羅曼諾夫、布魯斯‧班納和詹姆士‧羅德回到復仇者基地，反覆硏究已灰飛煙滅的福瑞所遺留的呼叫器，嘗試聯絡呼叫器的呼叫對象。呼叫器停止運作同時，卡蘿倏然現身在眾人眼前，並詢問：「福瑞在哪裡？」。