在現今，科學家在北極冰層上找到一架墜毀沉冰數十年的大型飛機，來到內部探查時發現一個被冰封住的藍紅星條的「盾牌」。回到1942年3月，二次大戰期間，挪威滕斯貝格遭受納粹科學秘密組織「九頭蛇」的大舉進攻，其首領約拿‧施密特闖入一座教堂，尋獲一個封存多年的外星文物宇宙魔方，走前槍殺試圖警告他的修士後，摧毀整座村莊以實施滅口。

居住在紐約布魯克林的平凡男子史蒂芬‧羅傑斯，看不慣納粹黨在歐洲的暴行而決心參軍成為英勇的戰士，但因身軀矮小、體弱多病而五次被拒絕沈請。史蒂芬陪他身為職業軍人的摯友巴奇‧巴恩斯到皇后區「未來世界博覽會」慶祝他在前往歐洲參戰前的最後一晚，他決定再次到募兵站靠造假資料來碰運氣。軍方科學家亞拉伯罕‧艾斯金賞識史蒂芬對從軍的熱衷，於是輕易讓他通過體檢，並將他列為一個軍方秘密科學計畫的候選人。史蒂芬入伍後開始嚴格訓練，儘管體能不好、排名最後但依然永不放棄，並在一位協助兵營的英國女特務佩姬‧卡特面前展現出非凡的勇氣。與此同時，施密特命令組織科學家阿尼姆‧索拉提煉出裡面的能量，成功將能量與九頭蛇研發的高科技武器融合，他認為這個成果足以改變世界後，決定將德國本土也作為襲擊目標之一。

實驗當天，艾斯金將他研發的「超級戰士血清」注入史蒂芬的體內後，隨著能量值達到百分之百，史蒂芬從一名柔弱男子轉變成一個高大威猛的超級戰士。實驗成功後，一名隱藏在內部的九頭蛇間諜趁機拿走最後一瓶血清，還槍殺試圖阻止他的艾斯金。為此憤怒的史蒂芬全力追逐間諜，在他企圖通過一架小型潛水艇逃亡前將他抓回來，但間諜喊著「砍掉一個頭，兩個就會再長出來。九頭蛇萬歲！」後便咬毒自盡。由於首次見識到九頭蛇的龐大勢力，軍官上校菲利普斯決定和佩姬跟霍華‧史塔克一同前往歐洲參戰，國防參議員讓史蒂芬成為軍方代言人來募集戰爭債券，為其定下「美國隊長」名號。史蒂芬雖然成為家喻戶曉的大明星，但他到歐洲前線後才發覺自己只是個藝工隊用來募款的小丑。當他從一群107營的傷兵中得知好友巴奇被敵軍俘虜後，只好自告奮勇去營救他。

靠佩姬和霍華的幫助，史蒂芬闖進九頭蛇的武器製造廠，釋出巴奇和所有俘兵。施密特於樓頂上首次和史蒂芬對峙時，撕下其臉龐後展示他在相同實驗後所留下的「紅色面孔」，聲言他們兩個已遠遠超越人類。在基地行動獲勝後，史蒂芬帶領所有俘兵返回營區，獲得所有人的鼓掌和歡呼。史蒂芬此後便到前線作戰。與巴奇和幾名救出的俘兵精英提摩西‧杜根、蓋比‧瓊斯和吉米‧森田等人組成「咆哮突擊隊」，聯合摧毀大部分九頭蛇的基地和設備。但在一場抓獲索拉的任務中，巴奇於戰鬥時不幸墜下山崖而被認定陣亡。

因為摯友喪生，悲憤的史蒂芬通過索拉所供述的九頭蛇位於阿爾佈雷茲山的總部，故意獨自上陣攻入基地作為聲東擊西，讓佩姬等人接到信號後對基地展開全面進攻。九頭蛇全軍覆沒後，施密特坐上他準備摧毀各地主要城市用的飛機起飛離開基地，史蒂芬坐著菲利普斯和佩姬所開的施密特專用跑車成功登上飛機。史蒂芬和施密特在駕駛艙展開最終對決，對決同時不慎將能量機器撞壞，當施密特空手與魔方接觸後，魔方突然釋出能量，施密特消失於能量形成的蟲洞之中，而魔方最後直接融通飛機掉入大海裡。史蒂芬發現飛機由於受損嚴重，加上即將襲擊紐約，因此決定將飛機迫降在附近冰川上。在對講機另一頭的佩姬捨不得他走，史蒂芬只能爭取時間和她談心。信號隨著墜機斷線後，留下佩姬一人傷心痛哭，美國隊長也認定陣亡。

不久，世界歡慶歐洲解放，所有突擊隊員舉杯紀念他，霍華在北極冰河中無法尋獲史蒂芬時，找到掉入海底的魔方而將其保存。不知過去多久，史蒂芬突然從一間1940年代病房裡醒來，一名女子進來向他打招呼。但史蒂芬卻因收音機播放過時的美國職棒比賽而發覺時代錯誤，衝出去時發現該病房只是佈景，逃出大樓後奔跑至現代的紐約市時代廣場。神盾局局長尼克‧福瑞現身，稱他已經沉睡七十年，史蒂芬仍然在思唸著他與佩姬的約會。後來，剛迎接現代的史蒂芬在一個拳擊場安頓下來後，福瑞前來拜訪史蒂芬，聲言世界現在需要他來拯救。