“惊奇队长”卡罗尔·丹弗斯（布丽·拉尔森BrieLarson饰）从残暴的克里人手中夺回了属于自己的身份，也对至高智慧完成了复仇。然而，意想不到的后果出现了。面对动荡脆弱的宇宙，她毅然决然地挺身而出。执行任务时，她来到一个神秘的特殊虫洞。在这里，她与另外两位女英雄产生了能力纠缠——一位是来自泽西市、惊奇队长的超级粉丝“惊奇少女”卡玛拉·克汗（伊曼·韦拉尼ImanVellani饰），另一位是曾与卡罗尔亲密无间的小侄女、如今长大在天剑局（S.A.B.E.R.）担任宇航员的莫妮卡·兰博队长（泰柔娜·派丽丝TeyonahParris饰）。看似不搭界的三人必须齐心协力，以“惊奇联盟”的身份拯救宇宙。

卡罗尔·丹弗斯摧毁了最高智慧，即领导克里帝国的人工智能。[a]这导致了一场内战，并在接下来的 30 年里克里人的家园哈拉世界变得荒凉。冲突使地球变得贫瘠，失去了空气、水和阳光。

克里的新领袖达本 ( Dar-Benn)发现了两个传奇量子带之一。她利用乐队的力量撕开一个跳跃点，一个允许快速穿越太空的门户。由此产生的异常会影响整个跳跃点网络，包括由尼克·弗瑞运行的地球SABRE空间站附近的跳跃点。莫妮卡·拉姆博队长调查 SABER 附近的跳跃点，而丹弗斯则调查达本打开的新跳跃点。当他们触及各自的跳跃点时，兰博被传送到丹弗斯的位置，卡马拉·汗（拥有地球上另一个量子带）被传送到兰博的位置，丹弗斯被传送到卡马拉的房子。三人利用各自不同的光能来击退克里人的敌人，导致可汗家族的家园被毁。

三个女人回到原来的地方后，弗瑞和兰博拜访了地球上的卡马拉。朗博推测，它们的光能通过量子纠缠联系在一起，当三者中的任何一个同时使用它们的力量时，它们就会交换位置。

三人在塔纳克斯星球上的斯库鲁难民殖民地会合，丹弗斯帮助建立了这个星球，并且那里正在与克里人谈判一项和平条约。当谈判破裂时，达-本撕开另一个跳跃点，从塔纳克斯吸走大气，以恢复哈拉的可呼吸空气。在仓促地疏散殖民地后，丹弗斯、朗博和卡玛拉组成了一支队伍，卡玛拉将其命名为“奇迹”。丹弗斯解释说，量子带被用来创建跳跃点运输网络，而达尔-本正在将她的量子带与克里的通用武器结合起来。Dar-Benn 跳跃点的反复破裂正在导致网络不稳定并危及整个宇宙。他们推断达本的目标是对丹弗斯有意义的行星，达本指责丹弗斯造成了哈拉的荒凉。

漫威在达本之前抵达水星阿拉德纳，并为当地居民做好了进攻准备。达-本到达并打开了一个跳跃点，将星球上的水吸引到哈拉。她差点偷走了卡玛拉的量子指环，迫使卡玛拉与丹弗斯和兰博一起逃离。达-本的最终计划是利用地球太阳的能量来恢复哈拉的能量。漫威与达本战斗并制服了达本，但她偷走了卡玛拉的指环，并用两个手镯撕开了太空中的另一个洞。这一行动摧毁了达本，结束了漫威的纠葛，并留下了现实之间的裂痕。卡玛拉夺回乐队后，她和丹弗斯利用他们的联合力量为朗博注入能量，让她能够从另一边堵住漏洞，让她陷入困境。卡玛拉返回地球，丹弗斯飞入哈拉的太阳，利用她的力量恢复它。

这个短暂的团队激励卡马拉寻找其他年轻英雄并组建一个新团队，从凯特·毕肖普开始。在片尾彩蛋中，兰博在平行宇宙中醒来，迎接她的是二进制——她母亲玛丽亚的另一个版本——和变种人科学家汉克·麦考伊。