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Em 1995, no planeta Hala, capital do Império Kree localizado em uma galáxia distante, Vers, uma mulher membro da Starforce, sofre de amnésia e pesadelos recorrentes envolvendo uma mulher mais velha. Yon-Rogg, seu mentor e comandante, treina-a para controlar suas habilidades, enquanto a Inteligência Suprema, que comanda artificialmente os Krees, ordena que ela mantenha suas emoções sob controle.

Durante uma missão para resgatar um agente disfarçado infiltrado num grupo de Skrulls, metamorfos alienígenas com quem os Kree estão em guerra, Vers é capturada pelo comandante inimigo, Talos. Uma sonda das memórias de Vers os leva à Terra; Vers escapa e cai em Los Angeles. Sua presença atrai os agentes da S.H.I.E.L.D., Nick Fury e Phil Coulson, cuja investigação é interrompida por um ataque dos Skrulls. Na perseguição que se segue, Vers recupera um cristal contendo suas memórias extraídas, enquanto Fury mata um Skrull que se passava por Coulson. Talos, disfarçado como o chefe de Fury, Keller, ordena que Fury trabalhe com Vers e fique de olho nela.

Usando suas memórias extraídas, Vers e Fury vão para a instalação do Projeto Pegasus em uma base da Força Aérea dos Estados Unidos. Eles descobrem que Vers foi uma piloto que foi dada como morta em 1989 enquanto testava um motor a jato experimental projetado pela Dra. Wendy Lawson, que Vers reconhece como a mulher de seus pesadelos. Depois que Fury informa à S.H.I.E.L.D. sobre sua localização, uma equipe liderada por Talos, disfarçado de Keller, chega. Fury descobre os poderes de Talos e ajuda Vers a escapar em um jato de carga com o gato que era pertencente à Dra. Lawson, Goose. Eles voam rumo à Louisiana para conhecer a ex-piloto Maria Rambeau, a última pessoa a ver Vers e Lawson vivas.

Rambeau e sua filha Monica revelam que Vers é Carol Danvers, que era uma amiga muito próxima de Maria antes de sua "morte". Talos, chegando desarmado, explica que os Skrulls são refugiados em busca de um novo lar e que Lawson se chamava Mar-Vell, uma renegada cientista Kree que estava ajudando os Skrulls na guerra contra os Kree. Talos toca uma gravação da caixa-preta recuperada do jato onde Lawson estava no dia de sua morte, fazendo com que Danvers se lembre do acidente: Lawson foi morta por Yon-Rogg para evitar que ela destruísse o motor antes que os Kree pudessem recuperá-lo; destruindo o motor, Danvers absorveu a energia da explosão, ganhando poderes, mas perdeu sua memória, sendo posteriormente "adotada" pelos Kree.

Danvers, Talos, Fury e Rambeau localizam o laboratório encoberto de Lawson orbitando a Terra, onde Lawson escondeu vários Skrulls, incluindo a família de Talos, e o tesseract, a fonte de energia do motor de Lawson. Lá, Danvers é capturado pela Starforce e interage com a Inteligência Suprema em seu inconsciente. Durante a conversa, Danvers remove o implante que os Kree havia lhe acoplado para suprimir seus poderes, permitindo que ela alcance todo o seu potencial. Na batalha subsequente, Fury recupera Goose, que é revelado ser um Flerken alienígena; Goose engole o tesseract antes de cegar o olho esquerdo de Fury com um arranhão. Danvers destrói um navio capital de Kree, forçando o oficial dos Kree Ronan, o Acusador e seu exército a se retirarem; posteriormente Danvers derrota Yon-Rogg numa luta na Terra e o manda de volta para Hala através de uma pequena nave, deixando uma advertência à Inteligência Suprema com ele.

Danvers parte para ajudar os Skrulls a encontrar um novo lar, deixando com Fury um pager modificado para contatá-la em uma emergência. Enquanto isso, Fury elabora uma iniciativa para localizar outros heróis como Danvers, batizando-a de "Avenger" após ver uma inscrição em um de seus aviões da época da Força Aérea em uma fotografia.

Em uma cena no meio dos créditos, ambientada nos dias atuais, o pager de Fury, que foi ativado logo após o estalar da manopla de Thanos, está sendo monitorado pelos Vingadores, até que Danvers aparece, perguntando onde Fury está. Na cena pós créditos, Goose sobe na mesa de Fury e cospe o tesseract.