On commence direct par un "flash back". La Capitaine Carol Danvers, qui est à l'origine pilote pour ceux qui l'ignorent, est en train de passer au-dessus d'un pays du Moyen-Orient, lorsque son avion est soudainement touché par un projectile non identifié. Elle évacue l'avion avec son parachute et après avoir atterri se dirige vers là d'où il lui semble avoir vu arriver le projectile. Elle entre dans une grotte où elle surprend le Général Yan-Rogg en train de tenir le Colonel Mar-Vell en joue. En les espionnant, elle finit par comprendre qu'ils sont tous deux des extraterrestres du peuple des Krees, et qu'ils sont venus en mission d'espionnage sur Terre. Pour des raisons d'ambitions personnelles, Yan-Rogg veut faire un rapport à leur chef, l'Intelligence Suprême, qui pousserait les Krees à attaquer la Terre, en faisant croire qu'elle pourrait représenter un danger à moyen-terme. Pour cela il compte faire croire que les Terriens ont volé le Psyché-Magnitron, une machine Kree très dangereuse, capable de re-créer n'importe quel type d'arme. Il espère ainsi monter en grade en dirigeant une attaque sur la Terre. Alors que Mar-Vell veut laisser la Terre en paix. Carol décide alors d'intervenir et sauve Mar-Vell, mais est blessée dans la bagarre. C'est finalement ce dernier qui met Yan-Rogg en fuite, mais le Psyché-Magnitron est endommagé dans la bagarre et sur le point d'exploser. Mar-Vell prend Carol Danvers avec lui, et s'enfuit à son tour, mais en sortant ils sont soufflés par l'explosion, et Mar-Vell la protège de l'explosion avec son corps. Constatant que les blessures de Carol ne sont pas trop graves, il décide de la laisser sur place inconsciente et s'en va. Une équipe militaire de secours arrive et trouve Danvers inconsciente.
Fendu en noir, on se retrouve quelques années plus tard. Carol Danvers travaille maintenant en tant que cheffe de sécurité d'une base de la NASA. Elle est en proie à des migraines et des pertes de mémoire (oubliant certains moments de sa journée). Elle fait aussi des rêves étranges dont elle ne se rappelle jamais. Elle est devenue obsédée par l'idée de comprendre ce qui lui est arrivé, des années auparavant, et par le risque que la Terre subisse une invasion. Bien sûr, personne n'a voulu la croire, des années auparavant. Pendant ce temps, il y a des rumeurs dans la région. Des rumeurs d'une femme vigilante d'une force extra-ordinaire qui aurait arrêté un certain nombre de criminels dans la grande ville à côté de la station de la NASA, et même qui aurait empêché un train de dérailler à mains nues. (On voit les scènes mais la mystérieuse femme est à peine entre-aperçue.) Mais personne d'importance ne prend cela au sérieux, sauf le journaliste Frank Gianelli (c'est un vieux perso secondaire des comics de Ms. Marvel). Comme Carol Danvers est à un poste d'importance, il vient lui demander si elle ne sait rien. Un jour, un agent du S.H.I.E.L.D. vient chez elle et lui demande de le suivre. Procédures de sécurité d'usage, bla bla bla. On lui explique alors qu'on soupçonne une future invasion extraterrestre, avec différentes preuves et comme ils ont lu son dossier, ils savent qu'elle a affirmé avoir vu des extraterrestres. On lui apprend aussi que cette mystérieuse « super-héroïne » n'est probablement pas une simple légende urbaine. Ils la soupçonnent d'être liée aux krees.
Bref ! Une brève présentation des preuves de la future invasion kree, et Carol qui se penche dessus. Elle finit par apprendre un truc encore plus surprenant. Mar-Vell est au S.H.I.E.L.D. Il n'a pris contact avec eux que récemment, et c'est lui qui leur a fourni les preuves de l'existence des Krees. Il a été rejeté par les Krees en tant que traître, à cause de Yan-Rogg. Mais plus choquant encore : Il est malade et en phase terminale. Carol et lui se rapprochent et une romance commence entre les deux.
Un premier bataillon d'éclaireurs kree arrive soudainement et attaque le S.H.I.E.L.D. Mar-Vell essaie aussi d'aider malgré son état. Carol disparaît mystérieusement, et la femme aux super-pouvoirs apparaît pour la première fois en pleine vue. Elle bat les bataillon. Mais le S.H.I.E.L.D. finit par penser que Carol est la super-héroïne et ils la mettent aux croux. Ils font quelques tests et se rendent compte qu'elle a un A.D.N. mixant celui des Krees et des Terriens. Mar-Vell comprend que c'est l'explosion du Psyché-Magnitron qui lui a fait ça, et qu'étrangement, ce mélange lui donne des super-pouvoirs. Alors que lui, cela l'a rendu malade. Sans ses médicaments contre les migraines (le S.H.I.E.L.D. ne les lui donne pas), Carol finit par se souvenir de tous ces moments d'absence, et se rend compte qu'elle est bien la super-héroïne. Elle sort de son lieu d'emprisonnement avec ses super-pouvoirs. Juste à temps pour s'attaquer encore une fois aux Krees qui envahissent une grande ville.
Durant les quelques batailles qui s'en suivent, elle a confirmation que c'est bien Yan-Rogg qui a réussi à convaincre les Krees que les Terriens avaient volé le Psyché-Magnitron. Elle parvient aussi à voler certains documents numériques à Yan-Rogg. Espérant que ceux-ci pourront prouver la traîtrise de Yan-Rogg aux Krees, mais ne sachant pas exactement comment de craquer leurs sécurités et ne trouvant aucun expert capable de le faire, elle les amène à Mar-Vell. Il parvient à le faire, malgré son état, mais finit par mourir de sa maladie. Maintenant, le but est d'arriver à l'Intelligence Suprême et lui montrer les preuves. Elle arrive sur le champ de bataille où se trouve le commandant de l'armée. Elle sauve Frank Gianelli qui lui demande son nom. Elle allait lui répondre honnêtement : « Capitaine... » mais s'interrompt et dit alors qu'elle s'appelle « Capitaine Marvel » (hommage à l'homme qui vient de mourir en aidant la Terre et à qui elle doit ses pouvoirs).
Dernière grosse bataille contre Yan-Rogg, mais finalement elle atteint Ronan (un Kree de haut rang), et après un court combat où celui-ci n'entre pas en matière avec elle pour discuter, elle finit par le convaincre (avec ses poings) de voir ces données. Ronan ordonne la fin des combats et arrête Yan-Rogg, qui est accusé de traîtrise. Les Krees repartents. Epilogue avec des articles écrits par Gianelli sur l'invasion Kree et sur "Captain Marvel". Fin.