Historia completa
Dos años después de la batalla de Nueva York, Steve Rogers vive en Washington y trabaja para S.H.I.E.L.D. Todavía intenta adaptarse al siglo XXI y anota en una lista lo que se perdió. Corriendo por el parque, se hace amigo de Sam Wilson, ex militar que ahora aconseja a veteranos. En una misión para rescatar rehenes en un barco, Steve descubre que Natasha Romanoff tenía una orden secreta de Nick Fury: copiar datos de la computadora de la nave.
Fury le muestra a Steve el Proyecto Insight: tres helitransportes conectados a satélites, capaces de eliminar amenazas antes de que ocurran. Steve odia la idea. Fury también desconfía, porque no puede abrir los datos que trajo Natasha. Lo atacan en la calle unos asesinos liderados por el Soldado del Invierno, un sicario con brazo de metal. Herido, llega al departamento de Steve, le avisa que S.H.I.E.L.D. está comprometida, le da una memoria USB y recibe un disparo. Muere en el hospital, o eso parece.
Alexander Pierce, el jefe de Fury, llama a Steve a conversar. Steve no le dice nada. En el elevador lo rodean agentes del equipo S.T.R.I.K.E., pelea contra todos y se vuelve fugitivo. Con Natasha sigue la pista de la memoria hasta un viejo búnker en Nueva Jersey. Ahí, una computadora guarda la mente de Arnim Zola. Les cuenta que Hydra nunca murió: creció dentro de S.H.I.E.L.D. desde el final de la guerra, sembrando caos para que la gente cambiara libertad por seguridad. Un misil destruye el búnker y escapan por poco.
Refugiados en casa de Sam, atrapan al agente Jasper Sitwell y descubren el plan: un algoritmo de Zola marcó a millones de personas como amenazas, e Insight va a matarlas a todas de una vez. Sam se une con sus alas mecánicas y se convierte en Falcón. En una batalla en la autopista, la máscara del Soldado del Invierno cae. Es Bucky Barnes, vivo, usado por Hydra como arma y con la memoria borrada muchas veces. Fury reaparece vivo; su muerte fue un montaje.
Steve les cuenta la verdad a todos los agentes de S.H.I.E.L.D. por los altavoces de la sede. Mientras él y Sam cambian los chips de los helitransportes, Natasha, disfrazada, desarma a Pierce y sube a internet todos los secretos de S.H.I.E.L.D. y de Hydra. Fury mata a Pierce. En el último helitransporte, Steve se niega a pelear con Bucky y le repite que estará con él hasta el final. Las naves se destruyen entre sí y Steve cae al río Potomac. Bucky lo saca del agua y desaparece. S.H.I.E.L.D. se acaba. Steve y Sam deciden buscar a Bucky. En las escenas de los créditos, el Barón Strucker guarda el cetro de Loki y a dos gemelos con poderes, y Bucky visita la exhibición del Capitán América en el museo.