1942年、病弱なため兵士として不適格とされたスティーブ（クリス・エヴァンズ）は、軍の極秘計画“スーパーソルジャー実験”に志願する。スティーブはパワー、スピード、身長等あらゆる身体能力だけでなく、正義感溢れる魂も極限まで高められ、別人のような姿に生まれ変わったが、政府は彼を兵士として認めなかった。そして、星条旗デザインのコスチュームを着た“キャプテン・アメリカ”という名前で軍のマスコットに仕立てられ、国中の人気を集めるが、仲間である兵士たちからは相手にもされなかった。そんななか、親友が所属する部隊が全滅の危機に瀕すると、スティーブは実戦経験もないまま、無断で仲間の救出に向かう。そんな彼の前に立ちはだかったのは、ナチス化学部門ヒドラ党の支配者レッド・スカル（ヒューゴ・ウィーヴィング）だった。かつてないエネルギー源で世界侵略を企てていたレッド・スカルもまたスーパーソルジャーで、野心を極限まで凶悪なものへと変貌させていた。キャプテン・アメリカは、大軍を率いるヒドラ党を倒し、本物のヒーローになれるのだろうか？