剧情设定在《美国队长3：内战》后，讲述娜塔莎·罗曼诺夫因违反《索科维亚协议》被通缉期间，直面自己作为前苏联特工的黑暗过往。她与曾经的“家人”——妹妹叶莲娜、养父阿历克谢（苏联队长）和养母梅丽娜重聚，共同对抗秘密组织“红屋”。该组织通过精神控制培养女性杀手“黑寡妇”，而娜塔莎发现曾被自己和鹰眼暗杀的现任首领德雷科夫仍在使用该技术操控全球特工。