若干年前，奧林匹斯十二眾神之王宙斯創造出人類，但他的兒子戰神阿瑞斯因為妒忌而開始縱使人類發動戰爭，最後遭宙斯等眾神放逐至人間。臨終的宙斯創造出以保衛人類為使命的女戰士族「亞馬遜人」，集體居住在一座與世隔絕的天堂島，島上還遺留唯一能夠殺死阿瑞斯的利劍「弒神者」（Godkiller）。亞馬遜公主黛安娜從小嚮往著成為偉大的女戰士，由於母親希波呂忒女王一直反對她習武，她只好偷偷和她的阿姨安提奧佩習武多年，雖然希波呂忒之後發現女兒瞞著她習武後，但也決定放棄阻止。

1918年，成年的黛安娜在一場比武中擊敗安提奧佩，但她的雙臂一時爆發出驚人的防禦能力而弄傷安提奧佩。對此受驚嚇的黛安娜跑到海邊時注意到一架飛機在遠處墜海，於是跳海將機上的美軍上尉史提夫‧崔佛救上岸。尾隨史提夫的德國海軍巡洋艦隊闖入天堂島展開進攻，亞馬遜戰士雖然殲滅所有德軍，但安提奧佩為了救黛安娜而中槍喪生。史提夫被真言套索逼供而供述外面世界正受第一次世界大戰肆虐，身為間諜的他在鄂圖曼帝國的彈藥廠中偷走西班牙頭號化學家伊莎貝‧馬洛的實驗筆記本，內容記載馬洛根據德國上將艾瑞希‧魯登道夫命令，設計出一種含氫元素的強化型芥子毒氣，將會使防毒面具失去效果。黛安娜認定這場戰爭是阿瑞斯所導致，於是拿走弒神劍和真言套索，不顧母親的再三阻止而和史提夫離開天堂島去拯救人類。

抵達倫敦後，史提夫的秘書艾塔幫黛安娜換上人類服飾，史提夫將筆記本交給戰爭委員會，在黛安娜協助翻譯內容後揭示德軍將在戰爭前線上釋放毒氣。由於委員會禁止史提夫做出行動，黛安娜和史提夫決定孤軍奮戰，透過準備和德國簽下停戰協議的派翠克‧摩根爵士秘密資助，他們倆召集法裔間諜沙米爾、狙擊手查理、以及走私客酋長組成團隊來到比利時西方戰線。當黛安娜聽到對面村莊有平民被敵軍俘虜時，決定不顧他人勸阻而獨自通過無人區，而她身後的史提夫等盟軍也一同作戰，為此成功解放維爾德村莊。黛安娜五人集體拍下合照，她和史提夫之間也變得更加親密。

馬洛將毒氣完成最終設計，魯登道夫殺光所有決定簽停戰協議的德國軍官後，在一座城堡舉行晚宴來讓德皇威廉二世觀摩成果。黛安娜一行人潛入晚宴，原本準備打探毒氣下落，但認定魯登道夫就是阿瑞斯的黛安娜，試圖近距離刺殺他來終結戰爭。史提夫為了不破壞行動而制止她行刺，卻讓魯登道夫將毒氣炮彈發射至維爾德村莊而殺死所有村民。黛安娜晚去一步後責怪史提夫，獨自追尋魯登道夫至一座空軍基地，最後在指揮塔上成功殺死魯登道夫。但她發現戰爭卻沒有因此終結，史提夫認為這是人類對挑釁的慾望所造成，隨後跟沙米爾等人去阻止一架滿載毒氣炮彈並即將飛往倫敦的轟炸機。茫然無措的黛安娜突然發現派翠克爵士站在她身後，從他的說詞和深藏不露的實力，發覺到他才是阿瑞斯本尊，拿起弒神劍刺向他卻被阿瑞斯一掌摧毀。

阿瑞斯供述自己當初發現人類心中的黑暗面，試圖警告宙斯卻被放逐到人間，數年來只好躲在暗處操弄人類的一舉一動，給予人類一些想法和靈感來自我毀滅，其中包括馬洛的化學武器成果。阿瑞斯還揭露黛安娜本身才是弒神者，還希望黛安娜能和他為伍去消滅人類、重新恢復人類誕生前的眾神天堂。黛安娜決定不和他同流合污，但也無法匹敵強大的阿瑞斯。另一方面，史提夫決心獨自阻止轟炸機，和黛安娜告別並為她留下他父親的手錶後，衝上轟炸機在空中自行引爆而英勇犧牲。黛安娜一陣悲痛和絕望，但她靠與史提夫的經歷，激勵自己關於人類還是有好的一面，饒過眼前的馬洛後反制阿瑞斯的雷電而將他徹底炸死。阿瑞斯死後，沙米爾、查理和酋長與多數德軍走出硝煙，集體丟掉武器的同時目視黎明升起。

不久，黛安娜等人回到倫敦慶祝戰爭結束，在亡兵紀念牆上看見史提夫的紀念照片而留下眼淚。現今，黛安娜是巴黎羅浮宮的古董商人，接受韋恩企業所出資舉辦的一戰攝影展。布魯斯‧韋恩為了答謝之前的救命恩情，將維爾德村莊所拍的原版合照歸還給她；黛安娜回信息對他表示感謝後，繼續堅守她身為「神力女超人」保護世界的使命。