La película comienza con una flota de naves Kree terminando de destruir un planeta antes de pasar por un portal conocido como punto de salto. Los villanos se dirigen a la luna, donde su líder, Dar-Benn (Zawe Ashton), descubre una nave que contiene una Banda Cuántica, que parece una pulsera familiar. Después de que Dar-Benn se entera de que hay otra por ahí, se pregunta quién podría poseerla.

La fantasía de Kamala Khan

En Jersey City, Kamala Khan/Ms. Marvel (Iman Vellani) fantasea sobre unirse a Carol Danvers/Capitana Marvel (Brie Larson). Después de un breve momento de emoción en su disfraz, su pulsera comienza a brillar. Luego, en un instante, Kamala parece fallar y desaparecer.

Más temprano ese día, Carol está a bordo de una nave intentando investigar los recuerdos que los Kree le robaron. Ahora también cuida al gatito Flerken, Goose. Carol es contactada por Nick Fury (Samuel L. Jackson) desde su estación SABER, quien menciona que Monica Rambeau (Teyonah Parris) está trabajando con ellos para investigar una anomalía. Carol se sorprende al escuchar sobre Monica, olvidando que era una niña la última vez que Carol la vio. Carol vuela hacia la luna y ve el punto de salto aún abierto sobre un cráter en la superficie. Encuentra evidencia que vincula la anomalía con los Kree, específicamente con Dar-Benn. Mientras esto sucede, Monica se acerca a la anomalía con sus propios poderes, lo que crea un enredo que afecta a ella, Carol y Kamala.

Cambio de roles y conflictos

Kamala cambia al traje de Monica, mientras Monica termina en la luna, y Carol se estrella en la habitación de Kamala. Mientras Carol conoce a la familia de Kamala - la madre Muneema (Zenobia Shroff), el padre Yusuf (Mohan Kapur) y el hermano Aamir (Saagar Shaikh) - Monica termina luchando contra los villanos Kree que asaltan la luna apuntando a Carol, llamándola "La Aniquiladora". Carol vuelve a la acción y lucha contra ellos antes de intentar informar a Fury que los Kree van tras los Skrulls en su santuario en Tarnax. Fury les dice que está trabajando con ambas especies en conversaciones de paz. Mientras tanto, Kamala regresa a casa y se vuelve loca al enterarse por sus padres de que Carol estuvo allí, y Monica regresa a Fury después de aprender que el cambio de poder involucró a Kamala.

En Tarnax, el Emperador Skrull Dro'ge (Gary Lewis) habla con Dar-Benn, quien está trabajando para restaurar su mundo natal de Hala. Ella intenta convencer a Dro'ge de que sus esfuerzos están trabajando hacia la reconciliación, pero en realidad está tratando de hacer que los Skrulls bajen sus defensas para poder succionar la energía del planeta.

Las tres damas cambian de nuevo, con Kamala agarrando accidentalmente a Goose, quien había tragado a dos matones Kree. Los matones comienzan a atacar a los Khans y a destruir su casa mientras Carol vuelve a la casa para luchar contra los secuaces. Kamala termina en la estación de Fury y lo ayuda a luchar contra algunos malos mientras Monica TAMBIÉN termina luchando en la casa de los Khan. Después de lidiar con los villanos, Kamala regresa a casa, y la familia es visitada por Fury y Monica para explicar lo que está sucediendo. Cuando Kamala intenta demostrar sus poderes, cambia de lugar con Carol. Monica explica su entrelazamiento cuántico, por lo que Carol intenta encontrar una manera de traer de vuelta a Kamala, solo para que la adolescente termine cayendo del cielo. Monica, que aún no ha dominado sus habilidades de vuelo, sube a salvarla. Terminan en la nave de Dar-Benn y son confrontadas por la villana y sus secuaces.

Antes de que Dar-Benn pueda matar a Monica y Kamala, Carol irrumpe y las saca de allí. Dar-Benn luego se encuentra con todos en la superficie de Tarnax mientras comienza a poner en marcha su plan. Abre otro punto de salto que comienza a succionar la atmósfera y enviarla a Hala. Las tres heroínas evacuan a los Skrulls y los embarcan en su nave mientras Tarnax cae en ruinas.

Los Kree regresan a Hala, que ahora ha vuelto a ser respirable una vez más. Dar-Benn recuerda a sus seguidores que Carol es responsable de su caída después de que destruyera la Suprema Inteligencia, lo que llevó a la Guerra Civil Kree que llevó al planeta a su devastación. Mientras ella intenta restaurar el sol de Hala, su segundo al mando, Ty-Rone (Daniel Ings), la advierte que la energía de la otra Banda Cuántica es necesaria, lo que podría destruirla.

Carol contacta a Valkyrie (Tessa Thompson) y la hace aparecer a través del bifrost para que pueda escoltar a los Skrulls a Nuevo Asgard para refugiarse. Mientras Carol expresa algunos sentimientos sobre terminar en un equipo, Valkyrie le asegura que podría no ser malo para ella. Después de que se van, Carol se encuentra con Monica para arreglar algo en la nave. Monica expresa sus propios sentimientos hacia Carol por no verla durante tanto tiempo. Junto con Kamala, Carol intenta rastrear a Dar-Benn usando tecnología que les permitiría ver en los recuerdos de cada una, ya que Kamala vio un mapa y coordenadas en la nave de Dar-Benn. En ese tiempo, Monica ve un recuerdo de su madre Maria (Lashana Lynch) hablando con Carol mientras estaba muriendo de cáncer y Monica había sido blipada. El momento resulta ser demasiado para Monica, por lo que rompe la conexión. Kamala atrae a ambas damas para un abrazo reconfortante.

Continuando su trabajo, las damas (ahora conocidas extraoficialmente como "Las Marvels") determinan que Dar-Benn se dirige hacia el planeta Aladna para succionar sus océanos. Mientras se dirigen hacia allí, Kamala se entera de que su familia está siendo cuidada por Fury, y Muneeba le dice a Carol y Monica que cuiden de su hija. Antes de dirigirse al planeta, las heroínas trabajan juntas para intentar controlar su cambio.

En Aladna, los habitantes se comunican a través del canto. Carol revela a Monica y Kamala que técnicamente es la princesa del pueblo debido a ayudar al Príncipe Yan (Park Seo-joon) con "problemas legales". Carol habla con Yan e intenta obtener ayuda de su ejército para luchar contra Dar-Benn mientras intenta proteger a su pueblo de su ataque. Una batalla se desata una vez que los Kree llegan a través de puntos de salto, y el ejército de Yan avanza con él liderándolos. Carol y Monica no pueden golpear correctamente a Dar-Benn sin que sus poderes fallen. Dar-Benn ve que Kamala está en posesión de la otra banda, pero no logra atraparla. Ella procede a abrir el punto de salto que comienza a absorber el agua del planeta y enviarla a Hala. Las Marvels luego huyen, evadiendo naves enemigas antes de teletransportarse a otro lugar.

Carol le dice a Monica y Kamala que es su culpa que todo esté sucediendo después de que destruyó la Suprema Inteligencia, lo que también le causó suficiente culpa como para no regresar a la Tierra. Después de que las damas resuelven las cosas, descubren que Dar-Benn está a punto de abrir el último punto de salto para absorber el sol. Luego advierten a Fury para que evacue a todos en SABER. Justo cuando esto sucede, varios huevos con forma de cerebro que estaban estudiando comienzan a eclosionar, revelando una camada de Flerkittens.

Las Marvels llegan a la estación SABER para ayudar a las personas y utilizan a los Flerkittens para tragar a todos y transportarlos dentro de sus estómagos, ya que todos caben en una cápsula de evacuación. Fury, junto con los Khans, logran sacar a todos a salvo. Luego, las damas se enfrentan a Dar-Benn en un enfrentamiento de tres contra una, donde finalmente mantienen sus poderes bajo control y comienzan a golpearla. Un buen puñetazo de Carol envía a la villana volando contra una pared, donde queda empalada por los escombros que caen. Carol entonces le dice que puede usar su propia energía para ayudar a restaurar el sol de Hala. Dar-Benn parece ceder, pero cuando se retiran los escombros, ataca a Kamala y le quita su brazalete. Dar-Benn procede a abrir un agujero en el tiempo y el espacio, y la energía de las bandas la hace explotar. Para cerrar el agujero, Carol y Kamala le dan a Monica una ráfaga de sus energías para que pueda volar y sellarlo desde el otro lado de la rotura. Monica queda atrapada en el otro lado mientras Carol y Kamala regresan tristemente a la Tierra.

Carol cumple su promesa y ayuda a restaurar el sol de Hala. Luego ayuda a los Khans a mudarse a la antigua casa de los Rambeau en Louisiana. Kamala luego crea un vínculo con su ídolo mientras se preguntan cuáles serán sus próximos pasos.

En Nueva York, Kamala utiliza la tecnología de Fury para recabar información sobre Kate Bishop (Hailee Steinfeld). Intenta hacer un Fury y reclutarla como él hizo con Tony Stark, preparando el escenario para los Young Avengers.

Durante los créditos, Monica se despierta en una cama y se encuentra con quien parece ser Maria. Cuando Monica se dirige a ella como su madre, Maria no parece reconocerla. Luego, Monica se encuentra con nada menos que Hank McCoy/Bestia (Kelsey Grammer), quien se refiere a Maria como "Binaria". Monica entonces descubre que está dentro de la Mansión X, y Bestia afirma que Charles está pidiendo actualizaciones.