Die ursprünglich von der Erde stammende Vers (Brie Larson) lebt seit sechs Jahren auf dem Planeten Hala, wo sie von Yon-Rogg (Jude Law) trainiert wird, um eine noch bessere Kriegerin zu werden. Der Planet ist das Zentrum des Kree-Imperiums, das sich mit dem rivalisierenden Volk der Skrull einen erbitterten Krieg um die Vorherrschaft in der Galaxis, weit weg von der Erde, liefert. Beide Völker verfügen nach irdischen Massstäben über Superkräfte; während die Kree besser bewaffnet sind und mehr Feuerkraft aufbringen, können die Skrulls ihre Gestalt verändern, was ihnen im Nahkampf Vorteile verschafft. Im Wachzustand hat Vers keine Erinnerungen an ihr früheres Erdenleben, allerdings wird sie von Albträumen verfolgt, in welchen sie als Kriegerin auf einem anderen Planeten kämpft. Während einer Rettungsmission geraten Vers und ihre fünfköpfige Crew in einen Hinterhalt der Skrulls. Die Krees müssen weichen und bei der anschliessenden Flucht strandet Vers auf ihrem Herkunftsplaneten, im Los Angeles des Jahres 1995. Dort weiss sie sich zunächst nicht zu orientieren, bis sie auf S.H.I.E.L.D. und dessen Agenten Nick Fury (Samuel L. Jackson) trifft. Verfolgt vom Skrull Talon (Ben Mendelsohn), macht sich Vers gemeinsam mit Fury und ihrer früheren besten Freundin Maria Rambeau (Lashana Lynch) auf, ihre Vergangenheit zu entschlüsseln. Ihre Erkundigungen zeigen, dass Vers ursprünglich einmal die Kampfpilotin Carol Danvers gewesen ist, die aber seit sechs Jahren als tot gilt. Wendy Lawson (Annette Benning), die Carol/Vers in ihren Albträumen immer wieder erschienen ist, war in Wahrheit die abtrünnige Kree-Soldatin Mar-Vell, die flüchtigen Skrulls einen sicheren Zufluchtsort verschaffen wollte, dann jedoch von dem Kree Yon-Rogg (Jude Law) entdeckt und getötet wurde. Bei dieser Aktion übertrug sich eine gewaltige Menge Energie aus dem in Mar-Vells Händen befindlichen Tesserakt auf Carol — der Ursprung jener Kräfte, die sie zu Captain Marvel machen.