近未来，天才科学家威尔·卡斯特开发出最接近人类的人工智能机器人“品（Pin）”，他在收获来自科学界的美誉同时，也遭到无数反对者的诟病与抨击。在某次会议之后，威尔遭到激进组织成员的枪击，虽然当时侥幸逃生，但涂抹了放射性物质的子弹还是慢慢销蚀了威尔的生命。威尔的妻子兼研究伙伴伊芙琳自然痛不欲生，但她却和丈夫的好友马克斯设法，将威尔的意识数据化上传到智能电脑中。奇妙而幸运的是，威尔成功在虚拟世界中复生。 他的天才头脑和先进科技完美融合，只是没人能够想到，这种局面对人类来说究竟是幸运还是灾难…

渐渐习惯了现代生活的美国队长史蒂夫·罗杰斯，在一次行动后隐隐嗅到神盾局内部所弥漫出来的凶险气味。而当得知神盾局正秘密进行的“洞察计划”后，他更为此感到愤怒。某天，神盾局指挥官尼克-法瑞遭到一群武装分子袭击，他拼尽全力将一支U盘交到美国队长手中，这里面藏着该局二战以来最重要且最可怕的秘密。在此之后，美国队长因涉嫌杀害尼克而遭到前局长亚历山大·皮尔斯的通缉和追杀，逃亡中他得到黑寡妇和退伍老兵“猎鹰”的帮助。他们必须争分夺秒解开神盾局的秘密，阻止“洞察计划”的施行……