电影讲述了漫威漫画中最神秘的女超级英雄的起源故事。急救护工凯茜（蜘蛛夫人，达科塔·约翰逊 Dakota Johnson 饰）因一场意外发现自己能够预知未来，在探寻能力起源的过程中，她与三位蜘蛛女的命运

柯克船长（克里斯·派恩 Chris Pine 饰）和企业号的船员们来到了银河系中未知的一个区域，开始完成他们5年的任务——探索新世界，寻找新物种。却在途中滞留异星，遭遇了当地种族追杀，他们必须找到方法

故事聚焦在《复仇者联盟4：终局之战》中，另一时空拿走空间宝石（Space Stone）的洛基，描述他作为一名恶作剧之神和变形者的身份，现身在人类历史中的多个时期，影响着历史事件。