上世纪40年代，纳粹及其邪恶轴心的战火烧遍世界各个角落。居住在布鲁克林的小个子史蒂夫·罗格斯（克里斯·埃文斯ChrisEvans饰）心系国家，一心上阵杀敌，可是糟糕的体格让他始终被征兵办拒之门外。偶然的机会，在德籍科学家厄斯金博士（StanleyTucci饰）的帮助下，这个小个子男孩得以走入兵营，并接受了博士的试验，化身成为高大健壮、膂力过人的超级战士。与此同时，德国纳粹红骷髅部队的首领约翰·施密特（雨果·维文HugoWeaving饰）依靠超自然的力量建立起一支超级战队，企图称霸全世界。为了营救好友，史蒂夫以美国队长的形象闯入施密特的军营，正邪两大超级战士的战斗就此展开……
如今，北极的科学家发现了一架古老的冰冻飞机。1942 年 3 月，纳粹中将约翰·施密特(Johann Schmidt)和他的手下从德占挪威的滕斯贝格( Tønsberg)镇偷走了一件名为宇宙立方 ( Tesseract)的神秘文物，它拥有难以言喻的神圣力量。
在纽约市，史蒂夫·罗杰斯因各种健康和身体问题而被拒绝参加第二次世界大战的征兵活动。与他最好的朋友中士一起参加未来技术展览时。詹姆斯·“巴基”·巴恩斯、罗杰斯再次尝试入伍。亚伯拉罕·厄斯金博士无意中听到罗杰斯与巴恩斯谈论代表他的国家参加战争，于是允许罗杰斯入伍。他被招募到战略科学预备队，作为厄斯金、切斯特·菲利普斯上校和英国军情六处特工佩吉·卡特领导下的“超级士兵”实验的一部分。厄斯金声称罗杰斯是执行该手术的合适人选，菲利普斯并不相信，但在看到罗杰斯跳上手榴弹拯救战友后，他的心软化了，没有意识到这是一次考验。治疗前一天晚上，厄斯金向罗杰斯透露，施密特过早地接受了手术，并遭受了永久性的副作用。
施密特和阿尼姆·佐拉博士利用宇宙立方的能量，打算利用这种力量为佐拉的发明提供动力，发动一场将改变世界的攻势。施密特发现了厄斯金的位置，并派刺客海因茨·克鲁格去刺杀他。厄斯金对罗杰斯进行了超级士兵治疗，给他注射了一种特殊的血清，并给他注射了“维他射线”。罗杰斯从实验中变得更高、肌肉更发达后，卧底克鲁格杀死了厄斯金，并带着一瓶血清逃跑了。罗杰斯追捕克鲁格，但刺客用氰化物自杀以避免审讯胶囊。随着厄斯金的去世和他的超级士兵配方的丢失，美国参议员勃兰特让罗杰斯穿着色彩缤纷的服装作为“美国队长”环游全国，以促进战争纽带，而科学家们则在研究他并试图对配方进行逆向工程。1943 年，罗杰斯在意大利为现役军人巡回演出时得知，巴恩斯的部队在与施密特军队的战斗中失踪。罗杰斯拒绝相信巴恩斯已经死了，他让卡特和工程师霍华德·斯塔克驾驶他飞到敌后进行单独营救。罗杰斯潜入施密特九头蛇堡垒师，释放了巴恩斯和其他囚犯。罗杰斯与施密特对峙，施密特摘下面具，露出骷髅般的红色面孔，这为他赢得了“红骷髅”的绰号。施密特逃脱，罗杰斯带着获释的士兵返回基地。
罗杰斯招募巴恩斯、杜姆杜根、加布琼斯、吉姆森田、詹姆斯蒙哥马利福尔斯沃斯和雅克德尔尼尔来攻击其他已知的九头蛇基地。斯塔克为罗杰斯配备了先进的装备，其中最著名的是由振金制成的圆形盾牌，振金是一种罕见的、几乎坚不可摧的金属。罗杰斯和他的团队破坏了九头蛇的各种行动，而他和卡特开始坠入爱河。1945 年，小队袭击了载有佐拉的火车。罗杰斯和琼斯成功抓住了佐拉，但巴恩斯从火车上坠落身亡。[C]利用从佐拉那里提取的信息，找到了九头蛇的最后一个据点，罗杰斯领导了一次袭击，阻止施密特对美国主要城市使用大规模杀伤性武器。施密特的飞机起飞时，罗杰斯登上了飞机。在随后的战斗中，宇宙立方的容器被损坏。施密特用身体操控了宇宙立方，导致他通过传送门被吸入太空。宇宙立方烧穿了飞机并消失在海洋中。罗杰斯认为无法在不引爆武器的情况下让飞机着陆，于是他通过无线电向卡特告别，然后在北极坠毁。斯塔克后来从海底找到了宇宙立方，但无法找到罗杰斯或飞机，认为他已经死了。
罗杰斯在一间 20 世纪 40 年代风格的病房里醒来。罗杰斯听到广播里播放了 1941 年他参加的一场棒球比赛，他起了疑心，逃出了外面，发现自己来到了现在的时代广场，神盾局局长尼克·弗瑞告诉他，他已经“沉睡”了近 70 年。在片尾彩蛋中，弗瑞找到罗杰斯并提出了一项具有全球影响的任务。