渐渐习惯了现代生活的美国队长史蒂夫·罗杰斯（克里斯·埃文斯 Chris Evans 饰），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（塞缪尔·杰克逊 Samuel L. Jackson 饰）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（罗伯特·雷德福/Robert Redford 饰）的通缉和追杀，逃亡中他得到黑寡妇（斯嘉丽·约翰逊 Scarlett Johansson 饰）和退伍老兵“猎鹰”（安东尼·麦凯 Anthony Mackie 饰）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……

　　黑森林有一个村庄，三个经典童话按照既定脉络展开：饱受压迫的灰姑娘（安娜·肯德里克 Anna Kendrick 饰）想参加国王的舞会，但是坏心眼的继母和姐妹们想尽办法折磨她；杰克（丹尼尔·赫特斯通 Daniel Huttlestone 饰）将那头不再产奶的白色乳牛当做朋友，而妈妈却命令他将牛卖掉；小红帽（莉拉·克劳馥 Lilla Crawford 饰）装满好吃的面包，一蹦一跳朝着外婆所在的黑森林深处走去。小红帽刚刚离开，邪恶的女巫（梅丽尔·斯特里普 Meryl Streep 饰）突然出现，她对面包师（詹姆斯·柯登 James Corden 饰）施以可怕的诅咒，除非他在三天后能准备好四样东西：白色乳牛、红色斗篷、金黄色头发以及黄金鞋。
　　在命运的驱使下，童话人物聚首黑森林……

　　未来世界陷入外星人入侵的恐慌中，军事演说家凯奇少校（汤姆·克鲁斯 Tom Cruise 饰）畏惧上战场，他从没想过将军（布莱丹·格里森 Brendan Gleeson 饰）会让他去指挥即将开始的“诺曼底战役”，拒绝接受命令之后将军居然恶整了他，那就是把他当做逃兵扔进了军 营中。凯奇被归入了J小队中进行战斗，战役的第一天就惨死在战场，没想到这一死让他拥有了时空循环的能力，而唯一相信他的人就是被称为“全金属战士”的丽塔·沃拉塔斯基（艾米莉·布朗特 Emily Blunt 饰）。二人开始了时空循环作战，在训练凯奇的同时他们发现了控制时间的奥秘，这与外星人“主脑”欧米茄有关，但是唯一能取得胜利的方法就是让凯奇不断死去、不断重启时间。在不断重复登陆那天的战斗的同时，凯奇越来越不想失去丽塔……