קפטן אמריקה: חייל החורף
עלילת הסרט

שנתיים לאחר אירועי "הנוקמים", סטיב רוג'רס מתגורר בוושינגטון הבירה, ממשיך לעבוד עבור סוכנות S.H.I.E.L.D ונאבק כדי להסתגל לחיים המודרניים. הוא מתיידד עם יוצא צבא ויועץ לחיילים משוחררים בעלי הפרעת דחק פוסט-טראומטית בשם סם וילסון, לאחר שנפגשו בריצת בוקר. רוג'רס נקרא להציל ספינת S.H.I.E.L.D מידיהם של פיראטים אלג'ירים בראשותו של ג'ורג' באטרוק. על הסיפון הוא מגלה שהסוכנת נטשה רומנוף שהתלוותה אליו למשימה נשלחה לאסוף מידע ממערכות המחשב של הספינה מבלי לעדכן אותו, מה שגורם לו לפקפק באמון שלו  בסוכנות S.H.I.E.L.D עקב המידור הכפייתי וחוסר השקיפות והכנות. החשדנות של רוג׳רס כלפי הסוכנות גוברת כאשר ניק פיורי מציג בפני רוג'רס את "פרויקט: תובנה", שלוש נושאות מטוסים מרחפות המחוברות דרך לווין ריגול ומתוכננות לחסל איומים באופן יעיל ומיידי - רוג׳רס רואה בכך פרויקט מסוכן ולא אתי. בהמשך, רוג'רס מסייר במוזיאון הסמית'סוניאן שעורך תערוכה להוקרתו וכן מבקר את פגי קרטר הזקנה, שגוססת ממחלת אלצהיימר בבית אבות.
פיורי אינו מצליח לגשת למידע שאותו רומנוף השיגה, וזה מעלה אצלו חשד. הוא נפגש עם המזכ"ל של שיל"ד, אלכסנדר פירס, ומציע לו להשהות את תוכנית "תובנה" ליתר ביטחון. פירס עונה שהוא יעשה מה שהוא יכול, כשבליבו, הוא הגיע למסקנה שפיורי מתחיל לאיים על הפרויקט הסודי שלו.
פיורי שורד ניסיון התנקשות (שהוזמן על ידי פירס) ונמלט לדירתו של רוג׳רס, אך שם הוא נורה שנית על ידי אותו המתנקש. רוג'רס רודף אחרי המתנקש, ושכנתו מתגלה כסוכנת 13 מטעם סוכנות S.H.I.E.L.D, שנשלחה להגן עליו. פיורי מת לכאורה בניתוח, והיל לוקחת את גופתו.
ביום למחרת, רוג'רס מזומן למפקדת S.H.I.E.L.D בידי פירס, אשר מנסה להמשיך לערער את האמון של רוג׳רס בסוכנות ובפיורי ואומר לו כי באמצעות שימוש בחשבונות קש פיורי היה זה ששילם על התקפת הפיראטים על הספינה של שילד. כאשר רוג'רס נשאר נאמן ומסרב למסור את המידע שפיורי מסר לו, פירס מכריז עליו כפושע נמלט. רוג'רס נמלט מהמפקדה תוך עימות עם המאבטחים, ובראשם ברוק רומלאו, ונפגש עם רומנוף. רומנוף חושפת כי המתנקש שהרג את פיורי הוא מתנקש רפאים ידוע לשמצה ומסתורי בשם ״חייל החורף״. בהתבסס על המידע בכונן החיצוני שקיבל רוג׳רס מפיורי, הם מגלים מתקן תת-קרקעי נטוש של S.H.I.E.L.D בניו ג'רזי, במקום בו היה מחנה האימונים בו התאמן רוג'רס בימי מלחמת העולם השנייה, ואשר בו הוקמה לראשונה סוכנות S.H.I.E.L.D בידי הווארד סטארק (אביו של טוני סטארק), פגי קרטר וקולונל צ'סטר פיליפס. בתוך המתקן, הם מפעילים מחשב-על שמכיל את התודעה השמורה של ארנים זולא, המדען הראשי של ארגון הידרה, שחושף בפניהם את העובדה שמאז הקמתה של סוכנות S.H.I.E.L.D לאחר מלחמת העולם השנייה, הידרה פעלה בחשאי מתוך שורותיה, והחלה ליצור תוהו ובוהו ברחבי העולם מתוך תקווה שהאנושות תסכים מרצון למסור את החופש שלה בתמורה לביטחון. הם מגלים שהידרה שפעלה בתוך S.H.I.E.L.D יזמה את כל המאבקים לאורך שנות קיומה של הסוכנות, כגון מותו של הווארד סטארק בתאונת דרכים וההתנקשות בחיי פיורי. רוג'רס ורומנוף בקושי מצליחים להימלט מהמקום לאחר שטיל ששוגר מ-S.H.I.E.L.D מפוצץ את הבונקר, ומשמיד איתו את ארנים זולא.
רוג'רס ורומנוף מגייסים את וילסון לעזרתם, והשלושה משיגים את חליפת הטיסה של וילסון מימי הצבא -רתמה מכונפת. הם חוקרים את ג'ספר סיטוול (שהתגלה כסוכן הידרה במסווה), שחושף שזולא פיתח אלגוריתם שמסוגל לזהות אנשים שיהפכו ברבות השנים לאיום עבור הידרה. נושאות המטוסים המרחפות החדשות של פרויקט ״תבונה״ יסיירו ברחבי המדינה ויחסלו את אותן מטרות בעזרת מערכת נשק מונחית-לוויין. בדרך חזרה למפקדת S.H.I.E.L.D, השלושה נקלעים למארב של חייל החורף. בקרב המתחולל בינו לבין רוג'רס, חייל החורף מאבד את מסכתו ורוג'רס מזהה אותו כבאקי, ידידו הוותיק שנחשב למת, אך בעצם נלכד, עבר שטיפת מוח והפך למתנקש בשליחות הידרה, ששמרה אותו קפוא בקרח במשך 70 שנה בין משימות. רוג׳רס, רומנוף ווילסון נלכדים בידי S.H.I.E.L.D אך ניצלים בידי מריה היל המחופשת. היא מובילה אותם למחבוא, שם הם מגלים שניק פיורי חי ומתכנן משימה למנוע מפירס להפעיל את "פרויקט: תובנה" בעזרת החלפת שבבים במערכות נושאות המטוסים המרחפות שיעקפו את השליטה הלוויינית עליהן. רוג׳רס ופיורי מתעמתים שנית על מדיניות שמירת הסודות של פיורי והשלכותיה, ומגיעים למסקנה שעל מנת להחריב את הידרה סופית אין ברירה אלא להפיל גם את סוכנות S.H.I.E.L.D.
לאחר שחברי המועצה לביטחון עולמי מגיעים להשקתן של נושאות המטוסים המרחפות. רוג'רס, ביחד עם וילסון, רומנוף והיל פורץ לבניין הטריסקליון, מטה הסוכנות, ומודיע במערכת הכריזה שהידרה פועלת בתוך S.H.I.E.L.D ומורה לכל מי שלצידו לא לציית לפקודותיהם של חיילי יחידת סטרייק שפועלים איתם, ולא לפירס, מנהיגם. חברי המועצה מבינים את תוכניתו של פירס, אך הוא מחזיק אותם כבני ערובה וחושף את המניעים האמיתיים של הידרה. לאחר קרבות בכל רחבי הבניין בין הידרה ל-S.H.I.E.L.D, נושאות המטוסים ממריאות ובעזרת הלוויין הן מכוונות את התותחים שלהן מגובה רב לעבר כל מי שיכול להוות סיכון להידרה בעתיד, לפי האלגוריתם של זולא. ברשימה כלולים בין היתר דוקטור ברוס באנר, טוני סטארק, דוקטור סטיבן סטריינג' וכן הנשיא. רוג'רס ווילסון מצליחים להסתער על שתי נושאות מטוסים מרחפות ומחליפים את השבבים, אך חייל החורף משמיד את חליפתו של וילסון ומתעמת מול רוג'רס בשלישית. השניים נלחמים במאבק פיזי קשה ומתיש, וכל אותה עת רוג'רס מנסה לעורר את זכרונותיו של באקי. בינתיים, פיורי ורומנוף מתעמתים מול פירס. הם מאלצים אותו לפתוח את הגישה למערכות המידע של S.H.I.E.L.D כדי שרומנוף תחשוף את פרצופה האמיתי של הידרה לציבור בכך שתשחרר מידע מסווג לציבור, מה שיפיל גם את S.H.I.E.L.D. לאחר עימות קצר, פיורי יורה בפירס למוות. בנושאת המטוסים המרחפת השלישית, בעוד מאבקם של רוג'רס וחייל החורף נמשך, רוג'רס הפצוע מצליח להחליף את השבב ומאפשר להיל לעקוף את שליטת הלוויין על נושאות המטוסים המרחפות, שמשמידות אחת את השנייה. זו שנושאת את רוג'רס ואת חייל החורף מתרסקת לתוך בניין הטריסקליון, היכן שוילסון נלחם נגד רומלאו. וילסון ניצל בנפילה למסוק, אך רומלאו נלכד בבניין המתמוטט.
בסופו של הקרב, רוג'רס נופל מנושאת המטוסים המרחפת לתוך הנהר. חייל החורף נזכר לאט בעברו ומושך את רוג'רס מהנהר לפני שנעלם. סוכנות S.H.I.E.L.D מצויה בכאוס, ופיורי משמיד את שארית זהותו ומתכוון להשתמש בכיסוי מותו כדי לרדוף אחר התאים הנותרים של ארגון הידרה באירופה. ברוק רומלאו נראה כשהוא מובהל לניתוח חירום, מה שמרמז שהוא עדיין חי. רומנוף מופיעה בפני ועדת הסנאט ומפרטת את האיום שהידרה הציבה מתוך S.H.I.E.L.D, בתשובה לטענות ראשי הצבא והסנאט, שהיא הרסה את ארגון המודיעין שלהם. היא מזמינה אותם לעצור אותה מתי שירצו ויוצאת כמנצחת מהקפיטול. היא נפגשת עם רוג'רס על "קברו" של פיורי, מוסרת לו את תיק המסמכים על תוכנית חייל החורף, וממשיכה לדרכה. רוג'רס מתכונן לחפש את חייל החורף ווילסון מצטרף אליו.
הסצנה הראשונה לאחר כתוביות הסיום מתרחשת במעבדת הידרה, היכן שברון סטרוקר מחזיק בשרביט של לוקי ובשני אסירים - אחד עם מהירות על-אנושית ואחת עם כוחות טלקינטיים. בסצנה שאחרי הכתוביות, חייל החורף עורך סיור בתערוכה של קפטן אמריקה במוזיאון הסמית'סוניאן כדי ללמוד על עברו.