En el presente, unos científicos en el Ártico descubren un antiguo avión congelado. En marzo de 1942, el teniente general nazi Johann Schmidt y sus hombres roban en la ciudad de Tønsberg, en la Noruega ocupada por los alemanes, una misteriosa reliquia llamada el Teseracto, que posee poderes divinos incalculables.

En la ciudad de Nueva York, Steve Rogers es rechazado para el reclutamiento militar de la Segunda Guerra Mundial debido a sus diversos problemas de salud y físicos. Mientras asiste a una exposición de tecnologías del futuro con su mejor amigo, el sargento James "Bucky" Barnes, Rogers vuelve a intentar alistarse. Al escuchar la conversación de Rogers con Barnes sobre representar a su país en la guerra, el Dr. Abraham Erskine permite que Rogers se aliste. Es reclutado en la Reserva Científica Estratégica como parte de un experimento de "supersoldados" bajo las órdenes de Erskine, el coronel Chester Phillips y la agente británica Peggy Carter. Phillips no está convencido de las afirmaciones de Erskine de que Rogers es la persona adecuada para el procedimiento, pero cede después de ver a Rogers saltar sobre una granada para salvar a sus compañeros, sin saber que se trata de una prueba. La noche anterior al tratamiento, Erskine revela a Rogers que Schmidt se sometió al procedimiento antes de tiempo y sufrió efectos secundarios permanentes.

Schmidt y el Dr. Arnim Zola aprovechan las energías del Teseracto, con la intención de utilizar el poder para alimentar los inventos de Zola, montando una ofensiva que cambiará el mundo. Schmidt descubre la ubicación de Erskine y envía al asesino Heinz Kruger a matarlo. Erskine somete a Rogers al tratamiento de supersoldado, inyectándole un suero especial y dosificándole "rayos vita". Cuando Rogers sale del experimento más alto y musculoso, un Kruger encubierto mata a Erskine y huye con un frasco del suero. Rogers persigue y captura a Kruger, pero el asesino evita el interrogatorio suicidándose con una cápsula de cianuro. Con Erskine muerto y su fórmula de supersoldado perdida, el senador estadounidense Brandt hace que Rogers recorra la nación con un colorido disfraz de "Capitán América" para promover los bonos de guerra mientras los científicos lo estudian e intentan aplicar la ingeniería inversa a la fórmula. En 1943, mientras está de gira por Italia actuando para los militares en activo, Rogers se entera de que la unidad de Barnes ha desaparecido en combate contra las fuerzas de Schmidt. Negándose a creer que Barnes está muerto, Rogers hace que Carter y el ingeniero Howard Stark lo lleven en avión tras las líneas enemigas para montar un intento de rescate en solitario. Rogers se infiltra en la fortaleza de la división Hydra de Schmidt, liberando a Barnes y a los demás prisioneros. Rogers se enfrenta a Schmidt, que se quita una máscara para revelar un rostro rojo, parecido a una calavera, que le ha valido el sobrenombre de "Cráneo Rojo". Schmidt escapa y Rogers regresa a la base con los soldados liberados.

Rogers recluta a Barnes, Dum Dum Dugan, Gabe Jones, Jim Morita, James Montgomery Falsworth y Jacques Dernier para atacar otras bases conocidas de Hydra. Stark equipa a Rogers con material avanzado, sobre todo un escudo circular hecho de vibranium, un metal raro y casi indestructible. Rogers y su equipo sabotean varias operaciones de Hydra, mientras él y Carter comienzan a enamorarse. En 1945, el equipo asalta un tren en el que viaja Zola. Rogers y Jones consiguen capturar a Zola, pero Barnes cae del tren hasta su aparente muerte. Utilizando la información extraída de Zola, se localiza el último bastión de Hydra, y Rogers dirige un ataque para impedir que Schmidt utilice armas de destrucción masiva en las principales ciudades del mundo. Rogers sube a bordo del avión de Schmidt mientras éste despega. Durante el combate posterior, el contenedor del Teseracto resulta dañado. Schmidt manipula físicamente el Teseracto, que abre un agujero de gusano en el espacio, absorbiéndolo. El Teseracto atraviesa el avión y se pierde en el océano. Al no ver ninguna forma de aterrizar el avión sin el riesgo de detonar sus armas, Rogers llama por radio a Carter y se despide de ella antes de estrellarse en el Ártico. Más tarde, Stark recupera el Teseracto del fondo del océano, pero es incapaz de localizar a Rogers o el avión, dándolo por muerto.

Rogers se despierta en una habitación de hospital al estilo de los años 40. Al escuchar una emisión de radio de un partido de béisbol al que asistió en 1941, Rogers empieza a sospechar, huye fuera y se encuentra en el Times Square actual, donde el director de S.H.I.E.L.D., Nick Fury, le informa de que ha estado "dormido" durante casi 70 años. En una escena post-créditos, Furia se acerca a Rogers y le propone una misión con ramificaciones mundiales.