Synopsis:

À notre époque, une équipe découvre dans l'Arctique l'épave d'un avion. À l'intérieur, elle trouve un objet circulaire avec un motif rouge, blanc et bleu. L'histoire enchaîne ensuite sur un flashback, qui occupe la quasi-totalité du film. En mars 1942, Johann Schmidt, chef d'HYDRA, l'unité scientifique secrète du Troisième Reich, envahit avec ses troupes la ville de Tønsberg en Norvège pour s'emparer du Tesseract (le Cube cosmique), qui était le joyau le plus précieux du trésor d'Odin. Dans le New Jersey, en juin 1943, Steve Rogers tente désespérément de s'engager en tant que militaire, mais sa demande est rejetée à cause de ses nombreux problèmes physiques et de santé. Après s'être rendu à une exposition à Flushing Meadows, « Le monde de demain » (qui deviendra la Stark Expo vue dans Iron Man 2), avec son ami Bucky Barnes, Rogers fait une nouvelle tentative pour s'engager. Séduit par le discours qu’il a tenu à son ami et par sa volonté de lutter contre les tyrans, le Dr Abraham Erskine décide de l'engager. Il est recruté au sein de la SSR (Section Scientifique de Réserve) pour faire partie d'un programme visant à créer une armée de super-soldats, sous le contrôle du colonel Chester Phillips assisté de l'agent britannique Peggy Carter. Phillips doute du choix d'Erskine, mais il est moins catégorique après avoir jeté une grenade à blanc sur laquelle Rogers se jette (en) pour sauver ses compagnons alors que ces derniers ont fui. La nuit qui précède l'expérience destinée à faire de Rogers un super-soldat, Erskine lui révèle que Schmidt avait exigé de recevoir le traitement, mais le sérum n'étant alors pas au point, il avait souffert d'effets secondaires. Dans sa base des Alpes, Schmidt et le Dr Arnim Zola récupèrent avec succès de l'énergie du Tesseract, et Zola veut l'utiliser pour toutes ses créations. Schmidt, après avoir découvert le lieu dans lequel se trouve Erskine et l’avancée de ses travaux décide de le faire assassiner. À Brooklyn, en présence du Colonel Philips, de l’agent Carter et de plusieurs officiels, Erskine assisté d’Howard Stark procède à l’expérience sur Rogers. Ce dernier reçoit un sérum spécial avant d’être irradié de « Rayon-Vita ». L'expérience est un succès, Rogers en ressort physiquement transformé. C'est alors que l'un des individus du public, Heinz Kruger, s’empare d’une ampoule de sérum en tuant Erskine. Rogers poursuit et capture Kruger, mais ce dernier se suicide en ingérant une capsule de cyanure avant d'être interrogé.